Меню

Полупроводниковый выпрямитель почему он выпрямляет переменный ток

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

  • главная
  • инфо
  • блог
  • словарь электромеханика
  • электроника
  • крюинговые компании
    • Одесса/Odessa
    • Николаев/Nikolaev
  • Обучение
    • Предметы по специальности
      • АГЭУ
      • АСЭЭС
      • Диагностика и обслуживание судовых технических средств
      • Мехатронные системы
      • Микропроцессоры
      • Моделирование электромеханических систем
      • МПСУ
      • САЭП
      • САЭЭС
      • СДВС
      • СИВС
      • Силовая электроника
      • Судовые компьютерные ceти
      • СУЭ и ОСУ
      • ТАУ
      • Технология судоремонта
      • ТЭП
      • ТЭЭО и АС
    • Общие предметы
      • Безопасность жизнедеятельности
      • Высшая математика
      • Ділова українська мова
      • Интеллектуальная собственность
      • Культурология
      • Материаловедение
      • Охрана труда
      • Политология
      • Системы технологий
      • Судовые вспомогательные механизмы
      • Судовые холодильные установки
    • I курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • II курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • III курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • IV курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • V курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
  • Теория
    • английский
    • интернет-ресурсы
    • литература
    • тематические статьи
  • Практика
    • типы судов
    • пиратство
    • видеоуроки
  • мануалы
  • морской словарь
  • технический словарь
  • история
  • новости науки и техники
    • авиация
    • автомобили
    • военная техника
    • робототехника

15.05.2013

Что такое полупроводниковый выпрямитель? Какие бывают полупроводниковые выпрямители?

В настоящее время подавляющее большинство судов оборудуется электрическими станциями переменного тока. Однако в некоторых случаях бывает необходим и постоянный ток.

Постоянный ток применяется для питания цепей возбуждения электрических машин, для зарядки аккумуляторов, для некоторых элементов автоматического управления (электромагнитное реле времени) и в некоторых других случаях.

Получение для указанных целей постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Наибольшее значение в современных судовых электрических установках имеют сухие полупроводниковые выпрямители.

Полупроводниками называется особая группа веществ, обладающих электрической проводимостью, меньшей, чем у проводников электрического тока, но большей, чем у изоляторов.

К этой группе веществ относятся окислы, сернистые соединения и сплавы некоторых металлов, а также селен, германий, кремний и

некоторые другие химические элементы. Наиболее часто на судах применяются меднозакисные (купроксные), селеновые, германиевые и кремниевые выпрямители.

Характерной особенностью полупроводников является их свойство резко изменять величину электрической проводимости под влиянием ряда внешних факторов: температуры, давления, освещения, наличия посторонних примесей и т. д. На этом свойстве основано применение полупроводников в установках температурной сигнализации, в радиотехнике и для других разнообразных целей.

Для нас наиболее существенным является то обстоятельство, что контакт между проводником (металлом) и полупроводником может обладать односторонней проводимостью. Этот факт и позволяет осуществить полупроводниковые выпрямительные устройства.

Любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из двух основных частей: металлического электрода и полупроводниковой пластинки. На поверхности соприкосновения металла с полупроводником на последнем в результате технологической обработки или вследствие свойств применяемых материалов образуется тонкий, так называемый запорный слой. Процесс получения этого слоя технологической обработкой носит название формовки выпрямителя.

Сопротивление запорного слоя прохождению тока одного направления значительно (в тысячи раз) меньше, чем току противоположного направления. Первое направление тока называется пропускным, а второе — запорным.

Зависимость между напряжением, приложенным к выпрямительному элементу и током, протекающим через него, характеризует свойства выпрямительного элемента и называется вольт-амперной характеристикой. Примерная вольт-амперная характеристика полупроводникового выпрямителя дана на рис. 1.

Для практических целей обычно достаточно знать две точки вольт-амперной характеристики, расположенные на ветвях кривых, соответствующих пропускному и запорному направлениям. Значения величин, определяющих эти точки, называются параметрами выпрямителя.

Для пропускного направления параметром является падение напряжения при номинальном токе выпрямительного элемента, или (что все равно) величина тока при данном напряжении.

Параметром запорного направления служит величина обратного тока при номинальном напряжении выпрямителя.

При длительном хранении, а также в процессе работы параметры пропускного направления у некоторых типов выпрямителей изменяются в худшую сторону. Это явление носит название старения выпрямителя.

В процессе эксплуатации при длительном бездействии или под воздействием влаги селеновые выпрямители расформовываются и сопротивление запорного слоя току обратного направления сильно уменьшается. Поэтому селеновые выпрямители должны периодически подвергаться повторной формовке.

Кроме того, параметры большинства полупроводниковых выпрямителей сильно зависят от температуры. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо тщательно следить за тем, чтобы температура выпрямительных элементов не превышала допустимую для них рабочую температуру. В ряде случаев для выполнения этого условия применяют искусственную вентиляцию (охлаждение) выпрямителей.

Каждый выпрямительный элемент может работать только в определенных пределах, допустимых для него значений тока и напряжения. Под рабочим напряжением понимается максимальное допустимое эффективное значение переменного напряжения на единичный выпрямительный элемент при работе выпрямителя в однофазной однополупериодной схеме (о чем будет сказано далее) на омическую нагрузку.

Поэтому для получения нужных значений выпрямленных токов и напряжений отдельные выпрямительные элементы — вентили—соединяют в параллельно и последовательно включаемые группы.

Отношение максимального мгновенного значения выпрямленного напряжения к минимальному его значению называется коэффициентом пульсации выпрямителя.

В зависимости от допустимой степени пульсации, рода нагрузки и требуемой мощности, применяют различные схемы включения выпрямителей. Так как выпрямленное напряжение связано с подводимым переменным напряжением вполне определенным соотношением (зависящим от схемы включения выпрямителя), то для получения стандартных значений выпрямленного напряжения переменное напряжение подводят через трансформатор.

На рис. 2 даны наиболее употребительные схемы выпрямления, а в табл. 1 — наименования этих схем и соотношения между электрическими параметрами для случая активной нагрузки и идеальных выпрямителей. Для конкретных, выпускаемых промышленностью, типов выпрямителей необходимо учесть падение напряжения в них.

Обозначения:

U — действующее значение переменного напряжения (при мостовых схемах линейное);
Udх — среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе;
U — амплитуда обратного напряжения;
Id — среднее значение выпрямленного тока;
Idmax — максимальное значение тока в цепи нагрузки;
I1d —среднее значение выпрямленного тока в плече.

В однополупериодной схеме выпрямитель выпрямляет только одну полуволну синусоиды, для другой (обратного направления) он заперт. В двухполупериодных схемах происходит выпрямление как прямой, так и обратной полуволны.

Первыми, по времени освоения, появились меднозакисные (купроксные) выпрямители, устройство которых схематически изображено на рис. 3.

Выпрямитель состоит из медного основания 1 (плюсовый электрод), покрытого слоем закиси меди 3, на которую нанесен второй (минусовый) электрод 4.

Минусовый электрод у выпрямителей малой мощности выполняется из серебра, а у более мощных состоит из двух слоев: меди и никеля, наносимых электрохимическим путем.

Между основанием 1 и слоем закиси меди 3 в результате особой технологической обработки возникает запорный слой 2.

Отдельные вентили выпускаются в виде дисков, шайб и прямоугольных пластин. Собранные выпрямители помещают в герметизированный корпус или покрывают водостойким лаком, так как на меднозакисные выпрямители влага оказывает вредное воздействие.

Допустимая плотность тока для купроксных выпрямителей составляет 50—60 ма/см 2 . Рабочее эффективное напряжение составляет 8— 10 в, пробивное напряжение 40— 70 в и к. п. д. порядка 55—65%.

Характерными особенностями купроксных выпрямителей является отсутствие необходимости в формовке, отсутствие явления расформовки, старение этих выпрямителей происходит независимо от того, работают ли они или бездействуют (при этом наиболее интенсивное старение происходит за первый год после изготовления выпрямителя и в дальнейшем почти не наблюдается). В связи с последним обстоятельством купроксные выпрямители, за исключением наиболее мощных, при их изготовлении подвергаются искусственному старению, после которого их параметры практически остаются стабильными.

Меднозакисные выпрямители могут работать при температуре окружающей среды от —25 до +55-60° С.

При электрическом пробое они не восстанавливаются и подлежат замене.

На судах этот тип выпрямителей используется в основном в электроизмерительных приборах.

Селеновые выпрямительные элементы выпускаются трех типов, конструкция которых схематически дана на рис. 4.

Элемент типа ВС (рис. 4, а) состоит из стального основания 1 с никелевым покрытием 2 (отрицательный электрод), слоя кристаллического селена 3 и положительного электрода 5, состоящего из сплава олова с кадмием. На поверхности селена, примыкающей к положительному электроду, в результате процесса формовки образуется запорный слой 4.

Выпрямители типа ABC отличаются от выпрямителей типа ВС тем, что отрицательным электродом у них служит алюминий, покрытый слоем висмута (рис. 4, б).

Выпрямители типа ТВС (рис. 48, в) собираются на алюминиевом основании 1 (положительный электрод), на которое наносится слой кристаллического селена 3, отрицательным электродом 5 у них служит алюминиевая фольга, покрытая слоем висмута 4. Запорный слой 2 в результате формовки выпрямителя возникает на поверхности селена, примыкающей к алюминиевому основанию 1. Как видим, полярность выпрямительных элементов типа ТВС противоположна полярности элементов типов ВС и ABC.

Читайте также:  Чем объясняется взаимодействие двух параллельных проводников с постоянным током контрольная работа

Селеновые выпрямительные элементы выпускаются в виде дисков, круглых шайб или квадратных пластин. Комплектные выпрямительные устройства, состоящие из дисковых элементов, собираются в пластмассовых трубках или металлических корпусах. Выпрямительные блоки из круглых шайб или квадратных пластин собираются на металлической изолированной шпильке, образуя так называемые выпрямительные столбы.

На рис. 5 дана схема сборки такого столба на шпильке 1, покрытой слоем изоляции 2. На шпильку надеваются выпрямительные элементы 3, имеющие для этой цели центральные отверстия. Между выпрямительными элементами расположены контактные шайбы 4, промежуточные шайбы 5 и радиаторные шайбы 6, служащие для отвода тепла. Вся сборка с концов изолируется шайбами 7 и стягивается гайками 8.

Отечественной промышленностью селеновые выпрямительные элементы выпускаются на рабочее напряжение от 12 до 36 в; пробивное напряжение для выпрямителей на стальной основе равно 50— 80 в, а на алюминиевой 80—100 в. Длительно допустимый ток при температуре окружающей среды 35° С и при естественном охлаждении составляет от 0,04 до 8 а на элемент в зависимости от размеров вентилей и схем их соединения. Плотность тока при этом находится в пределах 40—60 ма/см 2 .

При повышении температуры окружающей среды выше 35° С нагрузка должна быть снижена, но при искусственном охлаждении допустимую нагрузку можно увеличить. Так, принудительная вентиляция со скоростью воздушного потока 27—28 м/мин позволяет увеличить нагрузку на селеновый выпрямитель вдвое.

К. п. д. селеновых выпрямителей составляет 50—70% для однофазных схем и 60—80% для трехфазных.

Ценным свойством селеновых выпрямителей является их способность оставаться в работе после электрического пробоя, если при последнем не нарушен катодный слой.

При изготовлении германиевого выпрямителя пластинка чистого монокристаллического германия 1 (рис. 6) припаивается оловом к металлическому основанию выпрямителя 2. Затем на германиевую пластинку накладывается пластинка индия 3. В результате термической обработки индий диффундирует в германий, образуя запорный слой. К верхней поверхности пластинки индия припаивается гибкий токоотвод 4, соединяющийся с верхней контактной шпилькой 5, пропущенной через изолятор 6. Так как германий боится влаги, то выпрямитель заключается в металлический корпус 7, надетый на основание 1 и уплотненный прокладкой 8. В основание ввернута нижняя контактная шпилька 9.

Особенностью германиевых выпрямителей являются их малые размеры по сравнению с купроксными и селеновыми. Допускаемая плотность тока в германиевых выпрямителях в 1 500 раз больше, чем в селеновых, и в 4 000 раз больше, чем в купроксных. Однако малые размеры германиевых выпрямителей создают затруднения в отводе от них тепла. Наиболее эффективным методом отвода тепла является применение радиаторов с воздушным, водяным или масляным охлаждением.

Нормальный перегрев германиевого элемента при номинальной нагрузке не должен превышать 30° С при температуре окружающей среды 35° С. При повышении температуры окружающей среды до 50° С нагрузку следует снижать до 40% от номинальной.

К положительным свойствам германиевых выпрямителей относятся отсутствие необходимости в формовке, малое старение, длительная стабильность основных параметров и высокий к. п. д., составляющий 98—99%.

В настоящее время имеются германиевые выпрямительные элементы на ток до 200 а и обратное напряжение 200 в.

Комплектные германиевые выпрямители, собранные из отдельных элементов, выпускаются мощностью в несколько тысяч киловатт при токе до 100 000 а.

Наиболее перспективным типом полупроводниковых выпрямителей являются кремниевые выпрямители, конструкция которых аналогична конструкции германиевых.

Кремниевые выпрямители мало чувствительны к изменению температуры окружающей среды и могут работать в диапазоне температур от -65 до +250° С. Они допускают также более высокие плотности тока (до 200 а/см 2 при естественном охлаждении), имеют высокое допустимое обратное напряжение (до 200 в) и к. п. д., достигающий 99%.

Источник

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) 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 электрическ.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) 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):

Читайте также:  Лечение током по герасимову

Трёхфазные выпрямители

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 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.

Источник



Типы выпрямителей переменного тока

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.

Типовая схема однополупериодного выпрямителя

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Однополупериодное выпрямление

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.

Печатная плата простейшего зарядника сотового телефона

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.

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.

Двуполупериодное выпрямление

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.

Внешний вид сдвоенного диода

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Типовая схема мостового выпрямителя (схема Гретца)

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.

Мостовой выпрямитель с фильтром на плате компьютерного блока питания

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 dropVF). 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:)

Читайте также:  Как рассчитать сварочный ток по диаметру электрода

Типовая схема выпрямителя с удвоением

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.

Типовая схема умножителя напряжения

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.

Типовая схема простейшего трёхфазного выпрямителя

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.

Схема трёхфазного выпрямителя

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».

Источник

Как происходит выпрямление переменного тока

Как известно, электростанции вырабатывают переменный ток. Переменный ток легко преобразуется с помощью трансформаторов, он передается по проводам с минимальными потерями, на переменном токе работают многие электродвигатели, в конце концов, все промышленные и бытовые сети работают сегодня именно на переменном токе.

Однако для некоторых применений переменный ток принципиально не годится. Заряжать аккумуляторы необходимо постоянным током, электролизные установки питаются постоянным током, светодиоды требуют постоянного тока, и много где еще просто не обойтись без постоянного тока, не говоря уже о гаджетах, где изначально используются аккумуляторы. Так или иначе, иногда приходится добывать постоянный ток из переменного путем его преобразования, для решения этой задачи и прибегают к выпрямлению переменного тока.

Однополупериодная схема выпрямления переменного тока

Для выпрямления переменного тока используют диодные выпрямители. Простейшая схема выпрямителя, содержащая всего один полупроводниковый диод, называется однополупериодным выпрямителем. Переменный ток здесь проходит через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого одним своим выводом соединена с анодом диода, а другим — с цепью нагрузки, которая в свою очередь, будучи присоединена к катоду диода, замыкает вторичную цепь трансформатора.

Рассмотрим, что происходит в первый момент времени, когда к аноду диода приложено положительное, относительно его катода, напряжение, действующее в течение первого полупериода переменного тока.

В этот момент электроны движутся от катода к аноду диода, через провод вторичной обмотки трансформатора, через дроссель и далее через нагрузку, — так замыкается цепь. Когда начинается противоположный полупериод, электроны от анода к катоду проникнуть не могут, поэтому тока в цепи во время этого полупериода нет. С наступлением следующего полупериода процесс повторяется.

Итак, поскольку ток в цепи течет лишь во время одного из полупериодов, такой тип выпрямления называется однополупериодным выпрямлением. А по причине того, что во время отрицательных полупериодов ток в цепь нагрузки не попадает, форма его получается пульсирующей, ведь действует он в одном направлении, хотя и изменяется по величине.

Пульсирующее напряжение после выпрямления на осциллографе

Сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя (катушки индуктивности) и конденсаторов, применяется в данной схеме для того, чтобы снизить уровень пульсаций на нагрузке, и сделать ток почти идеально постоянным. Практически переменную составляющую схема фильтра в нагрузку не пропускает, пропускает лишь постоянную составляющую.

Реактивное индуктивное и емкостное сопротивление

Катушка обладает индуктивным сопротивлением, которое зависит от частоты тока, и чем выше частота — тем больше индуктивное сопротивление катушки, поэтому переменной составляющей пульсирующего тока катушка сопротивляется. Постоянную составляющую катушка пропускает легко.

Конденсатор же пропускает переменную составляющую, но не пропускает постоянную, и чем выше частота тока, тем сильнее конденсатор ее пропускает. В общем и целом чем больше емкость конденсатора и чем выше индуктивность катушки дросселя — тем меньше ненужной переменой составляющей в постоянном токе, текущем конкретно через нагрузку.

Итак, когда в цепи действует положительная полуволна тока, первый конденсатор заряжается до амплитудной величины переменного напряжения вторичной обмотки (минус падение напряжения на диоде). Когда действует отрицательная полуволна, электричество в конденсатор не поступает, и он, разряжаясь на нагрузку, поддерживает в ней постоянный ток.

Если бы не было дросселя, то поскольку напряжение на конденсаторе в ходе данного процесса уменьшалось бы, ток на нагрузке так или иначе имел бы сильные пульсации. Чтобы пульсации понизить, в цепь и добавляется дроссель (катушка), да еще и с дополнительным конденсатором, расположенным за ним. Второй конденсатор принимает на себя ток, идущий через дроссель, который уже почти не содержит пульсаций.

Двухполупериодное выпрямление переменного тока

Чтобы пульсации сгладить еще лучше, применяют двухполупериодный выпрямитель. Двухполупериодный выпрямитель может быть реализован одним из двух способов. Он может быть выполнен по мостовой схеме (состоящей из четырех диодов), либо включать в себя всего два диода, но тогда вторичная обмотка трансформатора должна иметь удвоенное количество витков и вывод посередине между половинами обмоток.

Двухполупериодный выпрямитель работает следующим образом. В течение одного из полупериодов (допустим, положительного) ток направлен от анода к катоду верхнего по схеме диода, а нижний по схеме диод ток в это время не пропускает, он заперт (так же ведет себя единственный диод в однополупериодном выпрямителе во время отрицательной полуволны тока).

Ток замыкается через фильтр, нагрузку, и далее — через средний вывод на обмотку трансформатора. Когда наступает второй полупериод, полярность тока такова, что нижний по схеме диод пропускает ток через фильтр и через нагрузку, а верхний диод заперт. Далее процессы повторяются.

Поскольку ток здесь подается к нагрузке в течение каждого из двух периодов, такое выпрямление называется двухполупериодным выпрямлением, а выпрямитель — двухполупериодным выпрямителем. Пульсации на выходе здесь вдовое меньше, чем у однополупериодного выпрямления, поскольку частота выпрямленных импульсов вдвое больше, индуктивное сопротивление дросселя получается вдвое большим, а конденсаторы не успевают значительно разряжаться.

Более подробно типовые схемы различных выпрямителей рассмотрены здесь: Схемы однофазных выпрямителей электрического тока

Источник