Выпрямитель тока

Выпрямитель тока

При выработке электроэнергии вырабатывается переменный ток. Передача и потребление энергии также в основном осуществляются с использованием переменного тока. Но некоторое оборудование, устройства и системы работают на постоянном токе. Сигналы переменного тока необходимо преобразовать в постоянные сигналы. Используйте для этого выпрямитель.

Мощные диоды и тиристоры

Что такое выпрямитель

Выпрямитель переменного тока — это схема, в которой используются полупроводниковые компоненты для преобразования переменного тока в однонаправленный постоянный ток. Этот процесс трансформации еще называют ректификацией.

Область применения выпрямителя:

• электрифицированная сеть транспортного сообщения;
• приводы постоянного тока;
• компьютерные блоки питания;
• Зарядные устройства для электронных устройств и т д

В качестве выпрямляющих элементов обычно используются диоды. Вторая используемая деталь — тиристор. Выбор выпрямителя зависит от требований к нагрузке. При этом учитываются характеристики компонентов схемы выпрямителя: напряжение пробоя, номинальный ток, мгновенный ток, температурный диапазон, требования к монтажу и т д

Выпрямляющие устройства классифицируются по разным стандартам.

По номеру фазы:

• однофазный;
• Три фазы.

По управляемости:

• Не управляется диодами;
• Тиристорное управление (если требуется одновременно выпрямление переменного тока и регулирование напряжения);
• Часть управления использует в схеме диоды и тиристоры.

По значению мощности:

• сила;
• Выпрямители сигналов в устройствах малой мощности.

Принцип действия

Простейшая схема выпрямителя состоит из диода, включенного между источником и нагрузкой. Принцип работы этой схемы основан на свойстве диода проводить ток в одном направлении, но не в противоположном. На выходе создается напряжение, состоящее только из положительной полуволны и соответствующего выпрямленного тока. Если диоды подключены в противоположном направлении, сигнал будет состоять из отрицательной полуволны.

Простейшая схема выпрямителя

Полуволновое выпрямление

После выпрямления ток течет в одном направлении, чередуясь с положительными полуволнами нулевого значения напряжения. Количественная мера этого изменяющегося напряжения будет равна эквивалентному постоянному напряжению 0,318 U, где U — максимальное значение входного синусоидального сигнала.

Недостатки этого решения:

1. Поскольку напряжение нагрузки присутствует только в течение положительной половины цикла (50% входного сигнала), это приводит к более низкому среднему постоянному току, подаваемому на нагрузку;

Важно! Иногда эта особенность используется в схемах, ограничивающих мощность резистивных нагрузок, например, при двухступенчатом управлении освещением.

1. Изменение выпрямленного выходного сигнала приводит к появлению сигнала с большой пульсацией, что нежелательно.

Конденсаторы иногда используются для сглаживания пульсаций. Однако стоимость и размер используемых конденсаторов ограничены. На практике полуволновое выпрямление применяется редко и применяется только для питания маломощных цепей.

Полноволновое выпрямление

Почти все схемы требуют стабильного и плавного напряжения постоянного тока. Один из способов добиться этого — использовать каждый полупериод входного напряжения.

Полупериодные выпрямители имеют фундаментальные преимущества перед полуволновыми:

• Среднее выходное напряжение выше полуволнового сигнала;
• Выходная пульсация двухполупериодного выпрямителя намного меньше.

Схема двухполупериодного выпрямителя с трансформатором

В этой схеме используются два диода, по одному на каждый полупериод. Другим важным компонентом является трансформатор, вторичная обмотка которого разделена на две половины с общим центральным соединением. Эта конфигурация заставляет каждый диод проводить свой полуволновый ток, когда его анодный вывод положителен относительно центральной точки трансформатора, создавая выходной сигнал на нагрузке в течение обоих полупериодов.

Читайте также статью: Как достать ключ от замка, если он застрял

Следовательно, ток через нагрузку течет в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов, а выходное напряжение представляет собой сумму частот двух сигналов. Цепь такого типа называется двухфазной.

Теперь среднее выходное напряжение на нагрузочном резисторе в два раза превышает исходное и равно 0,637 U, где U — максимальное входное напряжение, составляющее 0,9 U от среднеквадратического значения.

Важно! Для получения разных выходных напряжений можно использовать разные коэффициенты трансформации.

Основным недостатком этой схемы является то, что для заданной выходной мощности требуется большой трансформатор с двумя отдельными, но одинаковыми вторичными обмотками, что делает ее дорогой по сравнению с двухполупериодным мостом.

Мостовая схема

В однофазном выпрямителе этого типа используются четыре независимых диода, соединенных в мостовую конфигурацию с обратной связью для получения желаемого выходного сигнала.

Основное преимущество мостовой схемы заключается в том, что не требуется специального главного отключающего трансформатора. К одной стороне диодного моста подключена одна вторичная обмотка, а к другой стороне подключена нагрузка.

схема диодного моста

Характеристики диодных мостов:

1. Во время положительного полупериода одна пара диодов в противоположном плече моста открыта, а другая пара заперта. Сигнал тока проходит через нагрузку в одном направлении;
2. При возникновении отрицательного полупериода другая пара диодов открывается, а первая пара диодов закрывается. На выходе ток течет в аналогичном направлении;
3. Выходное напряжение постоянно и составляет 0,637 от максимального значения амплитуды;

важный! На самом диоде действительно наблюдается некоторое падение напряжения (для кремния 2 x 0,7 = 1,4 В). Но этот недостаток существенен только в низковольтных цепях.

1. Частота пульсаций выпрямленного сигнала в два раза превышает частоту сети. Для 50 Гц выходной сигнал равен 100 Гц.

Видео: Разновидности схем диодных выпрямителей для блока питания, описание работы, достоинства и недостатки

При практической реализации этих схем можно использовать четыре отдельных диода, но продаются и готовые мостовые выпрямительные сборки на разные напряжения и токи. Фаска указывает на то, что ближайшая выходная клемма является положительной (+), противоположная выходная клемма является отрицательной (-), а две другие клеммы предназначены для входного напряжения переменного тока со вторичной обмотки трансформатора.

Сглаживающий конденсатор

Используя сглаживающий конденсатор параллельно нагрузке, можно увеличить среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя, одновременно увеличивая плавность сигнала.

Конденсатор заряжается до пикового напряжения выходного импульса. Но когда напряжение падает до нуля, оно не может сразу разрядиться из-за постоянной времени RC-цепи. Конденсатор разряжается только до определенной точки, поддерживая напряжение на нагрузке до тех пор, пока он снова не зарядится на следующем пике. Следовательно, изменения напряжения невелики, но плавность можно еще улучшить, увеличив емкость конденсатора.

Схема диодного моста с конденсатором

Обычно для цепей питания постоянного тока применяют конденсаторы алюминиевого или электролитического типа емкостью 100 мкФ и более.

При выборе сглаживающего конденсатора следует учитывать следующие факторы:

1. Рабочее напряжение компонента должно быть выше выходного значения выпрямителя при отсутствии нагрузки;
2. Конденсатор, определяющий величину пульсаций. Если оно слишком низкое, это мало повлияет на выходной сигнал.

Важно! При большой емкости и малом токе нагрузки можно получить практически чистый и постоянный сигнал.

Максимальное напряжение пульсаций при использовании сглаживающего конденсатора зависит от частоты и тока нагрузки и определяется по следующей формуле:

U = I/fx C, где f — частота входного напряжения.

Трехфазная схема выпрямления

Преимущество мостового выпрямителя в том, что его легко переоборудовать в трехфазный вариант. Провода каждой фазы подключены между двумя диодами. После выпрямления сигнала полнофазного тока сдвинутые по фазе импульсы перекрывают друг друга, что приводит к более плавному выходному сигналу постоянного тока. Это решающее преимущество в мощных выпрямительных схемах, где физические размеры компонентов фильтра при этих параметрах станут очень большими, но устройству необходим сигнал постоянного тока с максимально плавной пульсацией.

Схема трехфазного выпрямителя

Однофазные управляемые выпрямители

В некоторых схемах управления в плечах моста установлены два диода и два тиристора. В полностью управляемой схеме все диоды заменены тиристорами. Когда на тиристор подается управляющий ток сразу после подачи напряжения положительной полуволны на анод, он работает аналогично диоду. Если сигнал выключения запаздывает, тиристор начинает пропускать ток позже. Поэтому среднее напряжение уменьшается.

Схема тиристорного выпрямителя

Этот тип схемы выпрямителя широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.

Это лишь основные схемы выпрямителей, применяемых для самых разных целей: от блоков питания ПК и радиоэлектронных схем до подачи постоянного тока в контактные сети энерготранспорта, электролизных установок и сварочных аппаратов.

Видео: Стабилизатор напряжения для дома: когда и зачем он нужен, что может защитить и как подключить?

Видео: Зачем выпрямлять переменный ток? Рассказываем про ВЫПРЯМИТЕЛИ!

Читайте также статью: Этапы производства ватина