Выпрямитель тока

При выработке электроэнергии получают переменный ток. Передача и потребление энергии тоже, в основном, осуществляются на переменном токе. Но есть приборы, аппараты и системы, работающие на постоянном токе. Возникает потребность преобразовывать переменный сигнал в постоянный. Для этого служат выпрямители.

Мощные диоды и тиристоры

Что такое выпрямитель

Выпрямители переменного тока – это схемы с использованием полупроводниковых элементов для преобразования питания переменного тока в однонаправленное питание постоянного тока. Этот преобразовательный процесс называется еще выпрямлением.

Область применения выпрямителей:

• контактная сеть электрифицированного транспорта;
• электроприводы, работающие на постоянном токе;
• компьютерные блоки питания;
• зарядные устройства для электронных приборов и т. д.

Обычно в качестве выпрямляющего элемента применяется диод. Вторая используемая деталь – тиристор. Выбор выпрямителя зависит от требований нагрузки. При этом учитываются характеристики компонентов схемы выпрямителя тока: напряжение пробоя, номинальный ток, мгновенный ток, диапазоны температур, требования к монтажу и т. д.

Выпрямляющие устройства классифицируются по разным признакам.

По числу фаз:

• однофазные;
• трехфазные.

По управляемости:

• неуправляемые на диодах;
• управляемые на тиристорах (если требуется как выпрямление переменного тока, так и контроль напряжения);
• частично управляемые с использованием в схеме диодов и тиристоров.

По значению мощности:

• силовые;
• выпрямители сигналов в устройствах малой мощности.

Принцип действия

Простейшая схема выпрямителя состоит из диода, подключаемого между источником питания и нагрузкой. Работа схемы основана на свойстве диода проводить ток в одном направлении и не пропускать его в обратном. На выходе получается напряжение, складывающееся только из положительных полуволн, и, соответственно, выпрямленный ток. Если диод подключить в обратном направлении, сигнал сложится из отрицательных полуволн.

Простейшая схема выпрямления

Полуволновое выпрямление

После выпрямления ток протекает в одном направлении, чередуя положительную полуволну с нулевыми значениями напряжения. Количественный показатель этого меняющегося напряжения будет равен эквивалентному постоянному напряжению 0,318 U, где U – максимальное значение входного синусоидального сигнала.

Недостатки схемы:

1. Так как напряжение на нагрузке присутствует только в положительную половину цикла (50% входного сигнала), это приводит к низкому среднему значению постоянного тока, подаваемому на нагрузку;

2. Изменение выпрямляемого выходного сигнала создает форму волны, имеющую большое количество пульсаций, что является нежелательным.

Иногда для разглаживания пульсаций применяют конденсатор. Но существуют ограничения по стоимости и размерам используемых конденсаторов. На практике полуволновое выпрямление применяется редко и только для питания схем небольшой мощности.

Полноволновое выпрямление

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

Полноволновые выпрямители имеют фундаментальные преимущества перед их полуволновыми аналогами:

• среднее выходное напряжение выше, чем для полуволнового сигнала;
• выход полноволнового выпрямителя имеет гораздо меньшую пульсацию.

Схема полноволнового выпрямления с трансформатором

В схеме используется два диода, по одному на каждую половину цикла. Другим главным компонентом является трансформатор, вторичная обмотка которого разделена на две половины с общим центральным соединением. Такая конфигурация приводит к тому, что каждый диод проводит ток в свою полуволну, когда его анодный вывод положителен относительно центральной точки трансформатора, и на нагрузке создается выход в течение обоих полупериодов.

В результате протекающий через нагрузку ток проходит в одном направлении для обоих полупериодов, а выходное напряжение представляет суммарную частоту двух сигналов. Этот тип схемы известен, как двухфазная.

Среднее выходное напряжение через резистор нагрузки теперь вдвое больше и равно 0,637 U, где U – максимальное входное напряжение, или 0,9 U от среднеквадратичного значения.

Главный недостаток схемы – необходимость применения большого трансформатора для заданной выходной мощности с двумя отдельными, но идентичными вторичными обмотками, что делает ее дорогостоящей по сравнению с полноволновым мостом.

Мостовая схема

Этот тип однофазного выпрямителя использует четыре отдельных диода, соединенных в конфигурацию «мост» с замкнутым контуром, для получения желаемого выхода.

Основное достоинство мостовой схемы – не требуется специальный главный запорный трансформатор. Одинарная вторичная обмотка подключается к одной стороне диодного моста, а нагрузка – к другой.

Схема диодного моста

Особенности работы диодного моста:

1. В продолжение положительного полуцикла одна пара диодов в противоположных плечах моста открыта, другая – заперта. Токовый сигнал проходит по нагрузке однонаправленно;
2. Когда наступает отрицательный полуцикл, другая пара диодов открывается, а первая – запирается. На выходе ток идет в аналогичном направлении;
3. Напряжение выхода постоянное и составляет 0,637 от максимального амплитудного значения;

4. Частота пульсаций выпрямленного сигнала в два раза превышает частоту питания. Для 50 Гц на выходе получается 100 Гц.

При практической реализации данных схем можно использовать четыре отдельных диода, но также в продаже доступны готовые мостовые выпрямительные компоненты в разных значениях напряжения и тока. Скошенный уголок указывает, что ближайший выходной контакт является положительным (+), противоположный от него – отрицательный (-), а два других вывода предназначены для входного переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора.

Диодный мост

Сглаживающий конденсатор

Можно улучшить среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя, одновременно добавив плавности сигналу, с помощью сглаживающих конденсаторов, которые соединяются параллельно с нагрузкой.

Конденсатор заряжается до пикового напряжения выходного импульса. Но когда напряжение падает до нуля, он не может разряжаться мгновенно из-за постоянной времени RC схемы. Конденсатор разряжается только до некоторого значения, поддерживая напряжение на нагрузке до тех пор, пока он снова не зарядится при следующем пике. Таким образом, изменения напряжения невелики, но можно еще увеличить сглаживание путем увеличения емкости конденсатора.

Схема диодного моста с конденсатором

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

При выборе сглаживающего конденсатора учитываются:

1. Рабочее напряжение элемента, которое должно быть выше выходного значения выпрямителя без нагрузки;
2. Емкость, определяющая величину пульсации. Если она слишком низкая, то мало будет влиять на выходной сигнал.

Максимальное напряжение пульсации при наличии сглаживающего конденсатора зависит от частоты и тока нагрузки и определяется по формуле:

U = I / f x C, где f – частота входного напряжения.

Трехфазная схема выпрямления

Достоинством мостового выпрямительного устройства является его легкая трансформация в трехфазную версию. Провод каждой фазы присоединяется между двумя диодами. После выпрямления полнофазного токового сигнала импульсы с фазовым сдвигом перекрываются друг с другом, и получается намного более плавный выходной показатель постоянного тока. Это решающее достоинство в мощных выпрямительных электроцепях, в которых физические габариты фильтрующих компонентов будут непомерно большими с такими параметрами, но оборудование требует постоянного токового сигнала с максимально сглаженной пульсацией.

Трехфазная схема выпрямления

Однофазные управляемые выпрямители

В частично управляемых схемах в плечи моста устанавливаются два диода и два тиристора. В полностью управляемой схеме все диоды заменяются тиристорами. Когда на тиристоры подается ток управления немедленно, как только анод оказывается под напряжением положительной полуволны, он работает аналогично диоду. Если открывающий сигнал задерживается, то тиристор начинает пропускать ток позже. Соответственно, снижается средний показатель напряжения.

Схема тиристорного выпрямителя

Такой тип выпрямительной цепи широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.

Это только основные схемы выпрямителей разного предназначения: от блоков питания ПК и радиоэлектронных схем до снабжения постоянным током контактной сети электротранспорта, электролизных установок и сварочных аппаратов.

Видео