Большая часть электрических приборов в процессе своего функционирования использует постоянный ток. Однако его передача на значительное расстояние является не самым выгодным решением, поскольку, как правило, применяется низкое напряжение, а в этом случае показатель потерь будет слишком большим. Вот почему ЛЭП обеспечивают передачу высокого напряжения переменного тока, а потом на трансформаторных подстанциях происходит понижение напряжения (создать трансформатор постоянного тока в техническом плане попросту нереально). Это означает, что переменный ток придётся превращать в постоянный для успешного функционирования бытовых устройств. Такие преобразователи переменного тока именуются выпрямителями.
Выпрямители тока, приобрести их можно на сайте pk-sotis.ru, классифицируют с учётом целого списка признаков, к примеру:
• По фазности (с одной, двумя, тремя и больше фазами);
• По виду сигнала (импульсные образцы, цифровые изделия, аналоговые варианты) и т.д.
Принцип работы самого простого выпрямителя использует свойства диода пропускать ток лишь в одном направлении. Пройдя через диод, волна обрезается. Подобный ток получил наименование однополупериодного.
Двухполупериодный выпрямитель тока является схемой из четырёх диодов, которые соединяются так, что обе полуволны попадают в схему, но отрицательна «переворачивается». Дабы избежать пульсации тока в систему также добавляется фильтр, замедляющий скорость нарастания напряжения и его уменьшения.
На сегодняшний день такие выпрямители нашли широчайшее применение в разнообразных приспособлениях, начиная от зарядок для смартфонов и заканчивая моторами электрических поездов. Если мы говорим по поводу мелкой техники, к примеру, о смартфонах, телевизорах, ноутбуках и др., то в них перед выпрямителями в схемах устанавливается трансформатор понижения до нужно уровня перед подачей на выпрямитель. Затем тока выпрямляется, и устройство получает низкое постоянное напряжение, как правило, оно колеблется от пяти до двенадцати вольт вместо двухсот двадцати вольт тока из сети.
Какие бывают выпрямители?
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".
Для чего нужны выпрямители
Как известно, электрическая энергия производится, распределяется и потребляется преимущественно в виде энергии переменного тока. Так удобнее. Однако потребители электрической энергии бывают разные. Для потребителей переменного тока (асинхронных и синхронных электрических двигателей, трансформаторов, люминесцентных ламп) важно, чтобы потребляемый ими ток был знакопеременным (лучше всего – синусоидальным). Частота изменения знака тока стандартизована (в Украине – 50 Гц). Другие потребители требуют, ток был одного знака. К таким относятся электрические двигатели переменного тока, аккумуляторные батареи во время их заряда, гальванические и электролизные ванны, сварочные установки, электронные микросхемы и т.п. Их называют потребителями постоянного тока.
Выпрямитель – полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Потребность в использовании выпрямителя возникает тогда, когда для питания потребителя постоянного тока необходимо использовать энергию из источника переменного тока (например, промышленной или бытовой сети переменного тока). В таком случае выпрямитель включают между источником переменного тока и потребителем постоянного тока.
Выпрямители широко используются в блоках питания компьютеров, агрегатах бесперебойного питания, зарядных устройствах для мобильных телефонов и ноутбуков, на преобразовательных подстанциях электрического транспорта, в электроприводах постоянного тока, разнообразных электронных схемах.
Какие бывают выпрямители
Если задачей выпрямителя есть лишь преобразование рода тока (выпрямление), их строят на основе неуправляемых вентилей (диодов). В случае, когда на выпрямитель возложено также регулирование уровня напряжения, подаваемого к потребителю, необходимо использование управляемых вентилей (тиристоров). Подобного регулирования требует, например, электрический двигатель постоянного тока для изменения скорости вращения.
В зависимости от количества фаз питающей сети различают однофазные выпрямители и трехфазные.
По уровню мощности выпрямители подразделяют на маломощные (выпрямители сигналов) и мощные или силовые.
Вентили
Современные вентили – обычно полупроводниковые (маломощные – на основе кристаллов германия, более мощные – кремниевые). Не вдаваясь в подробности их внутреннего строения и физических принципов функционирования, рассмотрим только потребительские свойства.
Простейший из вентилей (диод) является неуправляемым. Он имеет два вывода (анод А и катод К, см. рис. 1) и может проводить ток только в одном направлении – от анода к катоду. Если к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду – отрицательный (как на рис. 1а), диод будет открыт, и через него будет протекать ток. Если поменять направление включения диода (как на рис. 1б) или источника питания U, ддиод будет закрыт, а ток – отсутствовать. Будем считать диод идеальным вентилем (то есть, его внутреннее сопротивление в открытом состоянии равно нулю, а в закрытом – бесконечности). Графическое обозначение диода на электрических схемах похоже на стрелку, показывающую единственное возможное направление протекания тока. Чтобы отличить на схеме один диод от других, рядом с их графическим обозначением пишут VD и текущий номер диода (например VD1).
Рис. 1. Способы включения диода (а – прямой, б – обратный)
Тиристор является вентилем управляемым. Кроме анода и катода, он имеет третий вывод (управляющий электрод УЭ на рис. 2). Он также проводит ток только в одном направлении (от анода к катоду). Для его отрывания необходимо выполнить два условия:
- подать на анод положительный потенциал относительно катода (как для диода);
- обеспечить протекание в цепи между управляющим электродом и катодом тока управления iу, направленного как на рис 2а.
Рис. 2. Два состояния тиристора (а – открыт и б – закрыт)
Для обеспечения протекания тока управления используют дополнительный источник напряжения uу. ВВеличина тока управления намного меньше тока между анодом и катодом (то есть силового тока). Если цепь управляющего электрода разомкнуть (как на рис. 2б), ток управления будет отсутствовать, и тиристор не откроется. Графическое обозначение тиристора похоже на обозначение диода, однако имеет третий вывод УЭ. Нумерацию тиристоров на схемах производят с использованием букв VS. Благодаря наличию управляющего электрода тиристор становится управляемым вентилем. Он открывается только тогда, когда будет выполнено на только первое условие его открывания, но и второе. Потому ток управления могут подавать не сразу после выполнения первого условия, а несколько позднее. Этот ток подается от специальной системы управления. Долее мы не будем показывать цепь, по которой протекает ток управления.
 |
| Рис. 3. Диоды |
Тиристор имеет одну особенность: он открывается при помощи управляющего электрода, но закрывается только тогда, когда ток между анодом и катодом исчезнет. Добиться этого с помощью управляющего электрода невозможно. Поэтому тиристор иногда вентилем. называют полууправляемым вентилем.
Конструкция диодов малой мощности показана на рис. 3. У верхнего диода (более мощного, чем нижние) катод расположен слева. Внизу изображен диодный мостик (о них ниже).
Более мощные диоды и тиристоры изображены на рис. 4. Катод обычно имеет резьбу, которой крепится на охладителе, анод – гибкий вывод. Охладители (рис. 5), отводя тепло от вентиля, предотвращают их перегрев. Наиболее мощные приборы имеют таблеточную конструкцию (см. нижнюю часть рис. 4), которая обеспечивает отвод тепла наружу от обоих торцов (справа на рис. 5).
Простейший выпрямитель
ВВыпрямитель (рис. 6а) питается от источника знакопеременного (обычно синусоидального) напряжения u. Он состоит только из одного диода. Будем считать, что нагрузка выпрямителя – потребитель с чисто активным внутренним сопротивлением (R). Ток, протекающий через нагрузку, и приложенное к ней напряжение обозначены на рис. 6б индексами d (от англ. Direct – постоянный). Диод открыт только тогда, когда к аноду приложен положительный потенциал (напряжение источника положительное, первый полупериод на рис. 6б).
Рис. 4. Мощные диоды и тиристоры
Рис. 5. Тиристоры с охладителями
Рис. 6. Процессы в простейшем выпрямителе
К нагрузке через открытый диод подается напряжение от источника. Ток, протекающий по цепи «источник u – диод – нагрузка» при чисто активной нагрузке повторяет по форме напряжение: .</p>
<h3 id=)
Только что рассмотренная схема используется только для питания потребителей малой мощности. Более распространена мостовая схема (рис. 7а).
Рис. 7. Мостовой выпрямитель
В ее состав входят четыре диода, работающие попарно-поочередно. На первом полупериоде питающего напряжения (правая клемма источника имеет положительный потенциал) открыты диоды VD1 и VD4, образуется путь протекания тока, изображенный на рис. 7б. К нагрузке прикладывается положительное напряжение. На втором полупериоде открыты VD2 та VD3, а ток протекает, как показано на рис. 7в (в нагрузке – в прежнем направлении). К нагрузке вновь приложено положительное напряжение. Выпрямленные напряжение и ток во времени изменяются согласно рис. 7г. Поскольку оба полупериода напряжения питания являются рабочими, среднее значение выпрямленного напряжения вдвое больше по сравнению со схемой рис. 6а. Мостовые выпрямители небольшой мощности выпускают в виде т.н. «диодных мостиков» (снизу на рис. 3).
Если необходимо не только формировать на нагрузке знакопостоянное напряжение, но и изменять при необходимости ее среднее значение (для регулирования сварочного тока, скорости электродвигателя), вместо диодов в выпрямителях используют тиристоры (рис. 8а). Если тиристоры получают в цепь управления управляющий сигнал сразу же после того, как напряжение их анодах становится положительным, тиристоры работают также, как и диоды, и процессы в схеме ничем не отличаются от рассмотренных ранее. Если же задержать подачу тока управления, открывание тиристоров происходит позднее (на рис. 8б – по окончании времени задержки tз). Пока тиристоры закрыты, ток отсутствует, и напряжение к нагрузке не прикладывается. Из кривой выпрямленного напряжения «вырезается» определенный участок, и среднее значение напряжения уменьшается. Увеличение задержки tз приводит к дальнейшему уменьшению среднего выпрямленного напряжения.
Рис. 8. Тиристорный мостовой выпрямитель
Тиристорные выпрямители используются в электроприводах постоянного тока для питания обмоток якоря и возбуждения электродвигателей постоянного тока. На рис. 9 показан внешний вид подобного электропривода. Кроме собственно выпрямителя, в его состав входят микропроцессорные системы управления вентилями, скоростью и моментом электродвигателя, дисплей и пульт управления для диалога с пользователем, а также дополнительные элементы, обеспечивающие функционирование электропривода. Выпрямители большой мощности размещаются в электрических шкафах (рис. 10).
Рис. 9. Современный электропривод постоянного тока на базе тиристорного выпрямителя
Рис. 10. Мощный выпрямитель
«>
