Как работает выпрямитель напряжения

Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• улучшая эффективность электрического фильтра;
• улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

• по схеме моста;
• по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

[stextbox id=’warning’]Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.[/stextbox]

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f₁ с сетью питания U₁, I₁, и нагрузочную цепь с U_н, I_н одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Интересно почитать: что такое клистроны.

Отличия выпрямителя и стабилизатора

В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
• высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
• эффективное воздушное охлаждение;
• герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
• современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
• возможность задать автоматический режим работы;
• модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
• оптимальные массогабаритные параметры;
• возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

[stextbox id=’info’]Стабилизаторы напряжения – уникальная техника для автоматической регулировки сетевых параметров на прикрепленных зажимах с заранее установленными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их действия. Например, в стабилизирующих устройствах параметрического типа в основу положено использование свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов.[/stextbox]

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

• многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
• возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
• наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
• позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Заключение

Более подробно о том, что такое выпрямитель тока, рассказано в статье Выпрямитель тока: Лекция. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.digteh.ru

www.stihl-msk.ru

www.electricalschool.info

www.domelectrik.ru