Радиоэлектроника для начинающих
Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.
Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.
Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.
Однополупериодный выпрямитель
Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.
Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.
Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.
Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры.
Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц).
На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.
Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.
К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.
Двухполупериодные выпрямители
Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме.
К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы.
А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.
Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.
Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.
Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК.
Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е.
такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.
Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.
Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.
О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — VF).
Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2).
Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта).
Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.
Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.
Выпрямитель с удвоением напряжения
Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)
Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора.
Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков).
Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.
Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.
Умножитель напряжения
Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.
На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U).
Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе.
Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.
Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер).
При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить.
Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.
Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.
Трёхфазные выпрямители
Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат.
В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора.
Схема.
- Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.
- Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.
В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.
Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.
Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
-
Какие бывают припои?
-
Обзор термовоздушной паяльной станции.
§ 3.4. Выпрямление переменного тока
- Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии
| В технике и в быту применяется главным образом переменный ток. Однако во многих случаях бывает необходим и ток постоянный. Постоянный ток используется при электролизе. Электродвигатели постоянного тока допускают плавное регулирование скорости вращения и развивают большой вращающий момент при пуске. Эти свойства делают их незаменимыми на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы, электрокары). Постоянное напряжение необходимо для зарядки аккумуляторов и питания большинства радиотехнических устройств. Наконец, постоянным током питаются индукторы генераторов переменного тока. |
Постоянный ток чаще всего получают из переменного с помощью специальных устройств — выпрямителей. Действие любого выпрямителя основано на возможности создания элементов цепи, пропускающих ток только в одном определенном направлении. Таким свойством обладают двухэлектродные электронные лампы, а также полупроводниковые диоды.
Рассмотрим некоторые схемы выпрямления переменного тока с применением полупроводниковых диодов. Это наиболее распространенные в настоящее время выпрямители.
Однополупериодное выпрямление
При включении диода в цепь с переменным синусоидальным напряжением (рис. 3.4) ток в цепи проходит только в течение половины каждого периода. Такое выпрямление переменного тока называется однополупериодным. Зависимость силы тока от времени при таком выпрямлении имеет вид, показанный на рисунке 3.5.
Ток, протекающий через резистор R (см. рис. 3.4), является постоянным лишь по направлению. Сила тока не постоянна. В течение одного полупериода она возрастает от нуля до максимального значения, а затем убывает снова до нуля. В течение всего второго полупериода сила тока равна нулю, затем она снова возрастает и т. д.
Такой ток называется пульсирующим.
Двухполупериодное выпрямление
Для использования обоих полупериодов переменного тока применяются схемы двухполупериодного выпрямления. Одной из распространенных схем полупроводниковых выпрямителей с двухполупериодным выпрямлением является мостовая схема, показанная на рисунке 3.6.
В момент, когда потенциал клеммы А источника переменного напряжения положителен, а клеммы В — отрицателен, ток идет через диоды 1 и 4 (рис. 3.7, а). Диоды 2 и 3 при этом заперты, а цепь в этих местах практически разомкнута.
Через половину периода потенциал клеммы А становится отрицательным, а клеммы В — положительным. Теперь уже заперты диоды 1 и 4, и ток пропускают диоды 2 и 3 (рис. 3.7, б). Через нагрузку ток в течение обоих полупериодов проходит в одном и том же направлении: от С к D.
Однако и теперь сила тока непрерывно изменяется: после выпрямления ток также оказывается пульсирующим (рис. 3.8).
Сглаживающие фильтры
Для питания радиотехнических цепей пульсирующий ток не годится. Здесь необходим ток постоянного направления с постоянной силой тока. Для получения выпрямленного тока, практически свободного от пульсаций, применяют сглаживающие фильтры.
Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.9). Фильтр работает так. В ту часть полупериода, когда ток нарастает, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его (сплошные стрелки на рисунке 3.9). Разветвление тока уменьшает силу тока в нагрузке.
Зато в течение второй части полупериода, когда ток убывает, конденсатор частично разряжается через нагрузку, и через нее проходит ток того же направления (пунктирная стрелка на рисунке 3.9). Таким образом, в течение всего периода достигается непрерывное прохождение тока через нагрузку и уменьшение его пульсаций. Форма сглаженного тока показана на рисунке 3.
10 сплошной (ломаной) линией.
Еще более совершенным является фильтр, состоящий из катушки со стальным сердечником, набранным из листовой стали (дросселя), и двух конденсаторов.
Дроссель, обладающий большой индуктивностью, включается последовательно с нагрузкой, а конденсаторы параллельно: один — перед дросселем, а другой после него (рис. 3.11).
ЭДС самоиндукции в катушке (дросселе) противодействует изменениям тока. Она ослабляет его во время нарастания и поддерживает во время убывания.
| В настоящее время полупроводниковые выпрямители используются для питания постоянным током электрифицированных железных дорог, городского электротранспорта (метро, трамвай, троллейбус), а также электролитических цехов. |
Выпрямление переменного тока
>
§ 133. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Переменный ток, как уже
известно, удобен для трансформирования и поэтому используется очень широко.
Государственные электростанции, снабжающие электроэнергией промышленные
предприятия, вырабатывают переменный ток.
Но для многих отраслей
промышленности, для электротранспорта, электролизных установок, электронной
аппаратуры, Дл» зарядки аккумуляторов требуется электрическая энергия
постоянного тока. Это создает необходимость преобразования переменного тока в
постоянный. Процесс преобразования переменного Тока в постоянный называется
выпрямлением.
Прибор, в котором для
выпрямления переменного тока применяется электронная лампа (кенотрон),
называется ламповым или кенотронным выпрямителем.
На рис. 178, а изображена
схема однополупериодного кенотронного выпрямителя. Переменный ток проходит
через первичную обмотку I трансформатора
Тр. Вторичная обмотка II одним концом соединяется с анодом кенотрона, а вторым
концом — через нагрузку с катодом. Обмотка III служит для накала нити лампы.
В течение одного полупериода,
когда на аноде лампы поддерживается положительное напряжение по отношению к
катоду, электроны, вылетающие из нагретого катода под действием электрического
поля анода, притягиваются к нему и движутся в направлении: анод лампы — обмотка
II трансформатора — нагрузка — дроссель Др — катод. В другой полупериод, когда
на аноде создается отрицательное напряжение по отношению к катоду, электроны,
вылетающие из катода, отталкиваются полем анода и в цепи нагрузки ток не течет. В следующие полупериоды процесс
повторяется.
Поскольку при этой схеме
электрический ток проходит через диод и нагрузку, включенную в его цепь только
в течение одного полупериода, такое выпрямление называется однополупериодным.
График напряжений при однополупериодном выпрямлении приведен на рис. 178, б.
Во время отрицательных
полупериодов в цепи нагрузки тока нет, а
во время положительных полупериодов нагрузка получает ток одного направления, который все же
изменяется по величине
так, как изменяется переменный
ток в течение
положительного полупериода. Такой изменяющийся по величине, но
постоянный по направлению ток называется пульсирующим.
Чтобы уменьшить пульсацию
тока и превратить его в постоянный ток, не изменяющийся по величине, применяют
сглаживающие фильтры.
Пульсирующий электрический
ток можно себе представить как сумму постоянных и переменных токов, или, иначе
говоря, как сумму постоянной и переменной составляющих. Роль фильтра заключается
в том, чтобы не пропускать через нагрузку переменные составляющие и пропускать
постоянную составляющую, т. е. постоянный ток.
Сглаживающий фильтр обычно
состоит из катушки индуктивности (дросселя) и конденсаторов. Известно, что
катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением
Оно становится тем больше,
чем выше частота f переменного тока, протекающего по катушке, и больше ее
индуктивность L. Из этого следует, что переменному току дроссель оказывает большое
сопротивление и сильно его уменьшает.
Для постоянного же тока дроссель
не представляет собой
большого сопротивления, и ток легко проходит по обмотке дросселя. Конденсатор,
наоборот не пропускает постоянного тока и свободно пропускает переменный.
Как
известно, сопротивление конденсатора
- поэтому чем выше частота f
тока в цепи, в которую включен конденсатор, и чем больше емкость С
конденсатора, тем меньше сопротивления он оказывает переменному току. - Эти свойства дросселя и
конденсатора используются для сглаживания пульсирующего электрического тока.
Сглаживающий фильтр
включается в схему выпрямителя (рис 178, а). Действие сглаживающего фильтра
заключается в следующем. В течение положительного полупериода, когда через
лампу
проходит ток, конденсатор С1
подключенный к точкам 1 и 2, заряжается до наибольшего значения переменного
напряжения па зажимах вторичной обмотки II трансформатора Тр.
В течение отрицательного
полупериода, когда ток в лампе прекращается, этот конденсатор разряжается и
поддерживает напряжение на нагрузочном сопротивлении. По мере разряда
конденсатора сила тока, конечно, уменьшается и поэтому ток в цепи все же
пульсирует.
Для снижения пульсации между точками 1 я 3 включен дроссель Др, а
между точками 3 и 4 — еще конденсатор
С2. Дроссель оказывает значительное сопротивление переменным
составляющим пульсирующая го тока и почти не пропускает их.
Через конденсатор
С2 проходят те переменные составляющие,
которые в незначительном количестве протекают через дроссель. В
результате этого на зажимах нагрузки получается относительно постоянное
напряжение.
Для получения
выпрямленного напряжения со
значительно меньшими пульсациями широко применяется схема
двухполупериодного выпрямления переменного тока
(рис. 179). Для этих целей служат двухполупериодные выпрямители,
в которых используют электронные лампы, имеющие два
анода,— двуханодные кенотроны.
Выпрямитель работает
так.
Допустим, что
в течение одного полупериода напряжение, подаваемое со
вторичной обмотки трансформатора к анодам кенотрона, имеет положительное
значение (плюс) на аноде А1 и отрицательное (минус) на аноде А2
по отношению катода. Тогда ток пройдет от
точки 1 вторичной обмотки трансформатора к аноду А1, а затем через катод, дроссель, нагрузку — к
средней точке вторичной обмотки трансформатора.
Через анод А2,
имеющий отрицательный потенциал, ток не потечет.
В течение второго полупериода
полярность напряжения на анодах изменится.
Ток пройдет от точки 2 вторичной обмотки трансформатора к аноду А2,
катоду, дросселю, нагрузке и к средней точке вторичной обмотки трансформатора.
В следующие полупериоды
процесс повторится. Через нагрузку ток протекает всегда в одном и том же
направлении. Поскольку ток проходит через
нагрузку в одном и том же направлении в течение каждого из двух полупериодов,
такое выпрямление называется двух-полупериодным.
График напряжений при
двухполупериодном выпрямлении приведен на рис. 179, б. Качество сглаживания
получается лучше, чем при однополупериодном
выпрямлении, так как частота переменных составляющих увеличивается в два
раза, и следовательно, возрастает для них
индуктивное сопротивление дросселей при двойном уменьшении емкостного
сопротивления конденсаторов.
>
Выпрямление переменного тока
Теперь познакомимся с работой электрического вентиля в цепях переменного тока. Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока при использовании лишь одного вентиля. Вентиль В включается последовательно с нагрузкой Rн, в которой должен быть получен постоянный ток (рис. 233, а).
В качестве источника питания используем генератор, вырабатывающий переменный синусоидный ток (рис. 233, г). При положительных значениях напряжения генератора ток I в цепи, а следовательно, и в нагрузке Rн будет изменяться прямо пропорционально этому напряжению (рис. 233, д).
В течение отрицательных полупериодов напряжения генератора направление тока в цепи должно измениться на противоположное. Однако вентиль в обратном направлении ток не пропускает. Поэтому при отрицательных значениях напряжения генератора цепь окажется обесточенной. Такие схемы выпрямления тока получили название однополупериодных.
Выпрямленный ток будет постоянным по направлению, но пульсирующим по величине. Среднее значение тока в цепи при однополупериодном выпрямлении составляет лишь около 1/3 максимального. В связи с этим использование мощности источника переменного тока оказывается весьма низким.
Для более рационального использования источника электрической энергии, уменьшения пульсаций тока разработаны различные двухполупериодные схемы выпрямления. На рис. 233, б показана схема выпрямления переменного тока, в которой используется трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам обмотки подключены вентили.
Нагрузка Rн подключается ко вторым выводам вентилей и среднему выводу трансформатора. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток i1 проходит через вентиль В1, нагрузку Rн и возвращается к среднему выводу трансформатора. Вентиль В2 тока не пропускает.
В течение отрицательных полупериодов ток i2, равный по величине току i1 проходит к нагрузке через вентиль В2. Таким образом, при обоих полупериодах изменения напряжения трансформатора через нагрузку проходит постоянный по направлению ток (рис. 233, е). Отсюда следует и название выпрямительной схемы такого вида — двухполупериодная.
При использовании одного и того же источника тока применение двухполупериодной схемы выпрямления взамен однополупериодной позволяет в два раза увеличить среднюю величину тока, проходящего по нагрузке. Наибольшее практическое распространение на тепловозах получили мостовые схемы выпрямления переменного тока (рис. 233, в).
В этой схеме применены четыре вентиля. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток i1 проходит через вентиль В2, нагрузку Rн, вентиль В1 возвращается на минусовый зажим. При отрицательных полупериодах напряжения полярность изменяется и ток i2 проходит через вентиль B2, нагрузку Rн, вентиль В3 и т. д. Следовательно, мостовая схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление переменного тока (см рис. 233, е).
На современных тепловозах все более широкое распространение получают генераторы трехфазного тока. На тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков применялись трехфазные синхронные генераторы в качестве возбудителей.
Синхронными тяговыми генераторами с двумя трехфазными обмотками оборудуются новые мощные тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП75 и др. В большинстве случаев для потребителей электрической энергии на тепловозах требуется постоянный ток.
Поэтому подлежит выпрямлению и трехфазный ток.
Рис. 233. Выпрямители однофазного тока: а — однополупериодный выпрямитель; б — двухполупериодный выпрямитель с трансформатором; в — двухполупериодный выпрямитель с мостовой схемой включения вентилей; г — график напряжения источника тока; д — график выпрямленного тока в однополупериодной схеме; е — то же, в двухполупериодной схеме
В схеме (рис. 234) использовано шесть вентилей, образующих три группы. В каждой группе два вентиля соединяются последовательно.
Концы вторичных обмоток трансформатора (или обмоток трехфазного генератора) подключаются к соединенным точкам каждой группы вентилей. Нагрузка соединяется со вторыми зажимами вентилей всех групп.
В разбираемой схеме выпрямления каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает в течение одного периода изменения тока дважды.
Рис. 234 Выпрямитель трехфазного тока: а — трехфазная мостовая выпрямительная схема; б — график напряжения источника тока; в — график выпрямленного тока в нагрузке
В качестве примера рассмотрим работу третьей фазы трансформатора. Если обратиться к развернутой диаграмме трехфазного тока (см. рис. 234), то можно видеть, что в момент времени А напряжение первой фазы равно нулю, напряжение второй фазы имеет отрицательную величину, а напряжение третьей фазы положительную.
Следовательно, напряжение третьей фазы алгебраически больше напряжения других фаз. Поэтому ток третьей фазы проходит выпрямитель 6, нагрузку Rн, вентиль 3, зажим К2, обмотку второй фазы и возвращается на зажим Н3.
При отрицательном же полупериоде напряжения третьей фазы, например в момент времени В, когда напряжение второй фазы равно нулю, а первой — имеет положительное значение, питание нагрузки осуществляется первой фазой.
Ток проходит от зажима К1 через вентиль 2, нагрузку Rн, вентиль 5, зажим К3 и обмотку третьей фазы, но уже в противоположном направлении по сравнению с моментом времени А. Пульсации выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме получаются весьма небольшими, и ток нагрузки становится почти постоянным по своей величине.
В начало статьи >
Выпрямитель тока
Выпрямители электрического тока представляют собой различные преобразователи сигналов. Согласно характеру устройства, могут быть полупроводниками на базе диодов или транзисторов, механическими либо вакуумными. Функция агрегата – превращение переменного сигнала, идущего ко входу, в постоянный на выходе.
Большая часть подобных устройств может создать пульсирующий электрический ток, оставляя на выходе пульсации. Поэтому требуется дополнительно доукомплектовывать цепь фильтрами, которые бы сглаживали колебания.
Устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором и применяется в источниках бесперебойного питания и аккумуляторах.
Выпрямитель тока, схема с одним мостом
Какие бывают выпрямители
Построение устройств, выпрямляющих переменный ток, базируется на функции итогового агрегата. При необходимости только выравнивать колебания сборка на печатных платах производится за счет неуправляемых полупроводниковых элементов – диодов. Таким образом строятся простейшие выравнивающие элементы.
При необходимости изменений уровня мощности, которая передается на принимающее оборудование, устройство собирают с использованием контролируемых вентилей (тиристоров). Такие выпрямители тока требуются для работы некоторых двигателей, работающих за счет электричества. За счет регулировки подаваемого напряжения изменяется скорость вращения ротора.
N-фазные выпрямители
В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.
Принцип работы выпрямителей сигналов
Блок питания для шуруповерта 12в своими руками
Что такое выпрямитель? Устройство работает за счет свойств полупроводниковых радиоэлементов по пропусканию тока исключительно от анода к катоду.
Поэтому при прохождении через устройство синусоиды переменного тока происходит обрезка отрицательной части волны. Таким образом на выходе радиоэлемента остается только положительная полуволна. Электрический ток подобного типа называется однополупериодным с пульсациями.
От анода к катоду проходит сигнал только ½ всего времени. Колебания происходят от нуля до максимального значения.
Строение двухполупериодных устройств базируется на мосту из четырех вентилей, которые приводят к попаданию всех полуволн. При этом отрицательная полуволна инвертируется. Фактически строение двухполупериодных выпрямителей аналогично двум или более однополупериодным с катодами, направленными один на другой.
Классификация по назначению и устройству
Разбираемся с электроизмерительными приборами
Выпрямители переменного тока разделяют на несколько различных видов, в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, по количеству фаз и типу пропускающего элемента. В общем виде классификация имеет следующий вид:
- По количеству периодов, задействованных в работе (одно,- и двухполупериодные, а также с полным и неполным использованием волны);
- По типажу устройства делят на включающие электронный мост, умножающие напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
- По количеству фаз разделяют на однофазные, двух, трех,- и N-фазные;
- Согласно типу устройства, пропускающего синусоиду, делят на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
- По виду пропускаемой волны делят на импульсные, аналоговые и цифровые.
Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)
Представляет собой простейшее устройство, преобразовывающее сигнал из переменного электрического тока в постоянный. Таким образом происходит сглаживание уровня сигнала. Схема построена на одном полупроводниковом вентиле (диоде).
Редко применяется в промышленности, так как для питания автоматики и аппаратуры требуется добавление в цепь питания фильтров, которые бы сглаживали полуволну. Поэтому размеры и масса устройств на базе данного выпрямителя выходят слишком значительными.
Не подходит к электрическому току с промышленной частотой сигнала в 50-60 Герц.
Такая схема выпрямителя используется в импульсных БП. Требуется для компьютерной техники и с высокой частотой сигнала – около 10 Герц. Также применяется в промышленности для выпрямления высокочастотного тока.
Устройство отличается следующими достоинствами:
- Высокая частота пульсация;
- Повышенная нагрузка на выпрямляющее устройство;
- Ухудшение работы трансформатора вследствие намагничивания;
- Невысокий показатель соотношения габаритов к мощности.
Достоинство – дешевизна.
Однополупериодный выпрямитель
Два четвертьмоста параллельно
Данная схема состоит из двух четвертьмостов с одним периодом, которые работают независимо один от одного, на одну мощность. Принцип работы заключается в распараллеливании полуволны на 2 части. При первом временном промежутке происходит на одну половину, затем через часть схемы.
Два полных моста последовательно
Это двухфазная схема, которая включает два последовательных диодных моста. При этом электродвижущая сила равняется удвоенной относительно полного моста с одной фазой. Относительно сопротивление увеличивается в 4 раза.
Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема
В таком устройстве диодные мосты подключается ко вторичной обмотке трансформирующего прибора. Полупроводниковые элементы работают попарно, каждый со своей очередностью, пропуская только положительную или отрицательную полуволну. Таким образом частота колебания мощности, которая была выпрямлена, вдвое выше частоты тока в сети.
Три полных моста параллельно (12 диодов)
Это менее распространенная схема, состоящая из 12 параллельно соединенных диодов. По большинству характеристик значительно превосходит другие выпрямители напряжения. При прохождении электрического тока через всю схему исходящее напряжение выходит без пульсаций.
Три полных моста последовательно
Последовательная схема с двенадцатью диодами представляет собой трехфазный выпрямитель тока. Сопротивление в ней эквивалентно трем диодным мостам, в каждом из которых уровень сопротивления равен 3R.
Таким образом, общий уровень препятствия движению заряженных частиц приблизительно равен 9R. В то время как частота колебаний в 6 раз выше, чем такая же от поступающего сигнала.
Достоинством такого выпрямителя является наибольшая средняя электродвижущая сила, поэтому он часто используется в источниках мощности с большим выходным напряжением.
Трехфазная схема выпрямления
Устройства с тремя входящими фазами являются достаточно распространенными. Они обрезают часть волны, за счет чего значительно снижают колебания. Наиболее популярна трехдиодная схема Миткевича и шестидиодная схема Ларионова.
Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)
Такая схема нередко называется шестифазной. По свойствам похожа на выпрямитель, состоящий из трех полных диодных блоков, соединенных последовательно. Однако в данной схеме значительно повышается уровень эквивалентного сопротивления. Последовательная схема состоит из 6 диодов и резистора, поэтому относительный ток через каждый из проводящих элементов вдвое выше.
Модификации с гальванической развязкой
Накопительные элементы могут быть добавлены в схему для улучшения выходных характеристик.
Применение конденсаторов и батарей позволит однопериодному выпрямителю во время отрицательной полуволны продолжать подавать на выход напряжение, которое накопилось во время положительной.
Кроме того, накопление мощности на конденсаторе приводит к снижению максимального напряжения полуволны на выходе. Подобные схемы часто используются в усилителях.
Как происходит выпрямление переменного тока
Действие над полуволнами осуществляется за счет использования свойств полупроводниковых либо механических вентилей. За счет PN перехода диод пропускает ток только в том случае, если на аноде напряжение выше, чем на катоде.
Поэтому при прохождении через полупроводниковый элемент остается только положительная полуволна. При использовании диодных мостов каждый элемент работает попарно, выдавая на выход положительное и отрицательное напряжение раздельно.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Усредненный показатель сглаженного напряжения для выпрямителя рассчитывается по формуле:
В однополупериодных простейших схемах, которые построены на одном диоде (четверть моста), значение приблизительно равно 0.45 от входящего напряжения в вольтах.
Для чего постоянный ток
Переменный ток не подходит для некоторых задач. Аккумуляторные батареи возможно заряжать только постоянным током. То же самое касается электролизных установок. Также это требуется для работы осветительных приборов и большинства компактных устройств: компьютеров и телефонов.
Основные соотношения для выпрямителя
Главные параметры для выпрямителя выбираются в момент времени. Расчет величин происходит по образной формуле:
Соотношения для выпрямителя
Где:
- Um – параметр, соответствующий колебаниям синусоиды переменного тока;
- U – текущее значение напряжения на синусоиде;
- U2 – текущая величина мощности в обмотке трансформатора;
- Ud – усредненный показатель выпрямленной мощности;
- Udo – константа, которая отвечает за постоянное сглаженное напряжение без подачи питания.
Средний ток диодов
Полупроводниковые радиоэлементы обладают выпрямляющими свойствами. Поэтому их важнейшей характеристикой считается средний ток. Данная величина представляет собой усредненную за время работы сглаженного постоянного тока через полупроводниковый период. В вентилях выпрямительного типа значение может достигать от сотых частей до 100 и выше Ампер.
Мостовой удвоитель напряжения
Схема сходна по структуре с мостом Гретца, однако дополнительно устанавливаются накопительные элементы. Это позволяет суммировать напряжение на выходе из мощности, накопленной конденсаторами за время прохождения тока. Удвоение представляет собой преобразование низкочастотного переменного напряжения в высокочастотное постоянное.
Выпрямитель – это устройство, которое превращают переменный ток, полученный из сети, в нужный постоянный. При этом электрический ток на выходе может обладать сниженной амплитудой колебаний либо быть полностью сглаженным.
Таким образом, устройства, требующие для работы постоянного напряжения, получают питание. Используется для зарядки большинства аккумуляторов, например, в зарядном устройстве Рассвет, сварочных аппаратах и электросиловых установках.
Класс устройства определяется количеством диодов.
Видео
Военно-техническая подготовка
Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
1.7.1. Однополупериодный выпрямитель.
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток.
На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами ёмкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя.
Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре.
Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями ёмкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю. Среднее значение переменного тока по отношению к подведенному действующему составит:
1.7.2. Двухполупериодный выпрямитель.
Двухполупериодный выпрямитель может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора).
Рис 1. Двухполупериодный выпрямитель с сглаживающим ёмкостным фильтром.
При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствие нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины средневыпрямленного напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.
Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.
Рис 2. Входное переменное напряжение (жёлтого цвета) и постоянное выходное напряжение однополупериодного выпрямителя с фильтрующей ёмкостью.
Следует отметить, что в выпрямителях с сглаживающим конденсатором диоды открываются не на весь полупериод напряжения, а на короткие промежутки времени, когда мгновенное значение переменного напряжения превышает постоянное напряжение на фильтрующем конденсаторе (т. е. в моменты вблизи максимумов синусоиды). Поэтому протекающий через диоды (и обмотку трансформатора) ток представляет собой короткие мощные импульсы сложной формы, амплитуда которых значительно превышает средний ток, потребяемый нагрузкой выпрямителя. Этот факт следует учитывать при расчёте трасформатора (вариант расчёта для работы не на активную нагрузку, а на выпрямитель с ёмкостным фильтром), и принимать меры для подавления возникающих импульсных помех.
1.7.3. Мостовая схема выпрямления переменного тока.
Диодный мост — электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий.
На вход (Input) схемы подаётся переменное напряжение (обычно, но не обязательно синусоидальное). В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода, 2 других — заперты:
| Рис 3. Выпрямление положительной полуволны | Рис 4. Выпрямление отрицательной полуволны |
- Рис 5. Анимация принципа работы
- В результате, на выходе (DC Output) получается напряжение, пульсирующее с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения:
- Рис 6. Красным — исходное синусоидальное напряжение , зелёным — однополупериодное выпрямление (для сравнения), синим — рассматриваемое двухполупериодное
- Преимущества
- Двухполупериодное выпрямление с помощью моста (по сравнению с однополупериодным) позволяет:
- Получить на выходе напряжение с повышенной частотой пульсаций, которое проще сгладить фильтром на конденсаторе.
- Избежать постоянного тока подмагничивания в питающем мост трансформаторе.
- Увеличить его КПД, что позволяет сделать его магнитопровод меньшего сечения.
Недостатки
- Происходит двойное падение напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямлением (прямое напряжение диода × 2 ≈ 1 В), это иногда нежелательно в низковольтных схемах. Частично этот недостаток может быть преодолен за счет использования диодов Шоттки с малым падением напряжения.
- При перегорании одного из диодов схема превращается в однополупериодную, что может быть не замечено вовремя, и в устройстве появится скрытый дефект.
Выпрямители. Схемы выпрямления электрического тока
В данной статье расскажем что такое выпрямитель тока, принципы его работы и схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (одно полярный) электрический ток.
В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.
Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.
В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).
Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.
Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.
Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора.
Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции.
Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.
- На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.
Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.
- Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax
где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.
Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.
- Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.
- Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А».
- Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».
- Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.
- Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.
По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.
Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax
- где: π — константа равная 3,14.
- Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):
Трёхфазные выпрямители электрического тока (Схема Ларионова)
Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями.
Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга.
После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.
- На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.
За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.
- На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).
За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания
- Для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:
- — максимальное обратное напряжение диода – Uобр ;
- — максимальный ток диода – Imax ;
- — прямое падение напряжения на диоде – Uпр .
- Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.
Максимальное обратное напряжение диода Uобр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора.
В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.
Значение максимального тока Imax выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.
Прямое падение напряжения на диоде – Uпр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.
Схемы выпрямителей электрического тока предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность.
Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное.
Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.