Выпрямители схемы выпрямления. По значению мощности. Модификации с гальванической развязкой

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.

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.

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;

Важно! Иногда эта особенность применяется в схемах ограничения мощности резистивной нагрузки, например, при двухуровневом регулировании освещения.

1. 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.

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.

Важно! Для получения другого выходного напряжения можно использовать различные коэффициенты трансформации.

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.

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;

Важно! В действительности на самих диодах также происходит некоторое падение напряжения (2 х 0,7 = 1,4В для кремния). Но этот недостаток имеет значение только в схемах малых напряжений.

1. 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.

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.

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.

Важно! При большой емкости и маленьком токе нагрузки можно получить почти чистый постоянный 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.

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.

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.

Выпрямитель - это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

Однополупериодный . Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

Двухполупериодный . Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя - это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение - изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения - амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста - соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в , или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема - выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути - это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым - к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком - использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют - параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант - это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости - десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора - тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор - тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

где R - сопротивление нагрузки, а C - емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует - чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют , их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва - у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

C=3200*Iн/Uн*Kп,

Где Iн - ток нагрузки, Uн - напряжение нагрузки, Kн - коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

1. Трансформатор;

3. Конденсатор.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

У конденсатора две основных характеристики - емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения - нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное - велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем - и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант - использовать L78xx или другие , типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный - всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть , можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В - это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали . Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

С тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Заключение

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

Выпрямитель электрического тока это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он обычно реализуется на полупроводниковых диодах. Простейший выпрямитель тока содержит трансформатор, выпрямительный диод и нагрузку. Его приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Приведенная на рисунке 1 схема построена по однотактной схеме выпрямления однофазного источника переменного напряжения. В этой схеме трансформатор позволяет преобразовать переменное напряжение до необходимого на выходе значения. Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении, и именно этот ток подается в нагрузку.

Как уже обсуждалось в статье " ", в однотактных схемах постоянный ток нагрузки протекает через трансформатор, поэтому его сердечник подмагничивается. Понять процессы, происходящие в однотактном выпрямителе, помогут временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.

Рисунок 2. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя переменного тока

Как уже определялось при обсуждении , ток в первичной обмотке трансформатора равен сумме тока его холостого хода (i xx) и переменной составляющей тока нагрузки, пересчитанной в первичную цепь (i 2 ’). Форма тока в первичной обмотке (i 1) трансформатора, входящего в состав однополупериодного выпрямителя, сильно отличается от синусоидальной. По этой причине подобная схема применяется достаточно редко.

В общем случае, при работе от многофазной сети переменного тока, у трансформатора есть m 1 первичных обмоток, подключенных к различным фазам сети, и р фаз во вторичной цепи, которое называют пульсностью. Обычно m 1 ≠ p . Пульсность схемы определяется произведением

p = k · q (1) где k – число вторичных обмоток трансформатора q – число импульсов тока за период в одной обмотке.

С точки зрения выражения (1) однопериодный выпрямитель тока, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1, обладает пульсностью p = 1 · 1 = 1

В качестве примера выпрямителя тока с количеством фаз напряжения на выходе больше, чем на входе, можно привести двухфазный однотактный выпрямитель тока. Его принципиальная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема двухфазного однотактного выпрямителя тока

В данном случае используются две вторичных обмотки, включенных противофазно (обмотка с отводом посередине). В течение одного периода сети через каждую из них протекает один импульс тока i 2 ’ и i 2 ". Благодаря диодам эти токи протекают через нагрузку в одном направлении, а через вторичные обмотки из-за противофазного включения — в разных направлениях. В результате форма тока в первичной обмотке не искажается и в сердечнике трансформатора не происходит подмагничивание постоянным током.

При этом с точки зрения выражения (1) в данной схеме пульсность p= k · q = 2 · 1 = 2 . Уменьшение времени, когда на нагрузке отсутствует входное напряжение, позволяет значительно уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя тока приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя тока

При расчете очень важно знать частоту первой гармоники пульсаций. В схеме двухфазного однотактного выпрямителя она вдвое выше частоты сети (Т П = Т/2) и может быть определена через пульсность

f П = p · f с (2)

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного тока

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1 . В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2 . По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде. В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная схема трехфазного однотактного выпрямителя переменного тока

Трехфазный однотактный выпрямитель напряжения состоит из и трёх выпрямительных диодов VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения катодов диодов и общей точкой вторичных обмоток трансформатора. Для пояснения принципов работы данного устройства на рисунке 7 приведены временные диаграммы токов и напряжений на вторичных обмотках трансформатора, на выходе схемы и на одном из выпрямительных диодов.

Рисунок 7. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однотактного выпрямителя тока

Трехфазный однотактный выпрямитель переменного тока применяется в относительно низковольтных устройствах. На его выходе удается получить пульсацию напряжения около 13%. Это соответствует требованиям к качеству питания большинства устройств. по крайней мере при сварке постоянным током электрическая дуга не будет гаснуть, что позволит получить качественный шов сварки металла.

Если для питания устройства требуется большее напряжение по сравнению с предыдущим случаем, то можно применить трехфазную двухтактную схему выпрямления тока. Она позволяет снизить требования к сглаживающему фильтру. Принципиальная схема трехфазного двухтактного выпрямителя тока приведена на рисунке 8. Это устройство известно также под названием трехфазного выпрямительного моста или схемы Ларионова.

Рисунок 8. Принципиальная схема трехфазного выпрямительного моста

Напряжение на выходе схемы, приведенной на рисунке 8, можно представить как сумму двух трехфазных однотактных выпрямителей тока, работающих в противофазе. Его можно записать как U d = U d 1 + U d 2 . Это позволяет увеличить количество фаз на выходе схемы и тем самым увеличить основную частоту пульсаций выходного напряжения. Это позволяет уменьшить требования к сглаживающему фильтру, а в ряде случаев вообще отказаться от него.

В схеме Ларионова на входе выпрямителя присутствуют три фазы обмотки, поэтому k = 3 и ее пульсность p= k · q = 3 · 2 = 6 . Отсюда можно определить основную частоту спектра пульсаций f П = 6 · f с. Временные диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы трехфазного выпрямительного моста приведены на рисунке 9.

Рисунок 9. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного выпрямительного моста

Как видно из приведенных временных диаграмм уровень пульсаций на выходе рассмотренного трехфазного выпрямителя тока значительно меньше предыдущих вариантов выпрямителей и составляет 3,5%. Однако с помощью трехфазного трансформатора можно получить на выходе количество фаз больше шести. Это позволяет дополнительно уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе трёхфазного выпрямителя тока. Возможна реализация девяти, двенадцати, восемнадцати и более фазных выпрямителей. Повышение количества фаз позволяет уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя. В качестве примера рассмотрим схему двенадцатипульсного выпрямителя тока. Его схема приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема двенадцатифазного выпрямителя тока

В данной схеме применяется трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками для каждой фазы. При этом одна группа вторичных обмоток включается по схеме "звезда", а другая — "треугольник". В результате напряжения на выходе каждой из групп вторичных обмоток оказывается сдвинутыми на 30° Для того, чтобы напряжения были равны, количество витков в каждой из групп вторичных обмоток отличаются в 1.73 раза. Благодаря последовательному включению постоянные напряжения на выходе диодных мостов суммируются U d = U d 1 + U d 2 и на нагрузке действует напряжение с частотой пульсаций в 12 раз выше частоты сети и значительно меньшим по сравнению с предыдущими схемами уровнем пульсаций, равным 0.9%.

Дата последнего обновления файла 16.02.2018

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Вместе со статьей "Выпрямитель переменного тока" читают:

Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное . Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике:

Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный мы постарались объяснить на пальцах. Но читатели все равно «не вкурили» ту статью, поэтому было решено написать еще одну статейку, но на этот раз разжевать все досконально.

Снова да ладом…

Придется возвращаться к истокам. Вместо трансформатора я возьму ЛАТР , который будет выдавать переменный ток:

Выставляем на ЛАТРе с помощью напряжение амплитудой в 10 Вольт:

Как мы можем увидеть в нижнем левом углу, частота нашего сигнала 50 Герц. Это и есть частота сети. Длина одного кубика по вертикали равна 2 Вольтам.

И спаиваем из них вот по такой схеме:

Подаем напряжение с ЛАТРа на диодный мост, а с других концов цепляем щуп осциллографа

Тыкаем щупом осциллографа в эти красные кружочки на схеме. Землю на один кружочек, а сигнальный на другой.

Смотрим, что получилось на дисплее осциллографа

Дело в том, что сопротивление щупа осциллографа обладает очень высоким , или иначе простыми словами: мы подцепили очень-очень высокоомный резистор к выходу диодного моста. Поэтому диодный мост в холостом режиме, то есть в режиме без нагрузки, не функционирует.

Для того, чтобы проверить диодный мост на работоспособность, нам надо его нагрузить . Это может быть резистор в несколько десятков или сотен Ом, лампочка, либо какая-нибудь электронная безделушка. В моем случае я взял лампочку накаливания на 12 Вольт от поворотника мотоцикла:

Цепляем ее к диодному мосту

Тыкаем щуп осциллографа в эти точки и смотрим осциллограмму

Как мы видим, напряжение с ЛАТРа чуть просело. Все зависит, конечно, от подключаемой нагрузки и мощности самого ЛАТРа. Про это я писал еще в статье

Теперь тыкаем щупом в эти точки

Классика жанра! Превращаем отрицательную полуволну в положительную и получаем «горки» с частотой в 100 Герц;-). Но ваш внимательный глаз ничего не заметил? Если даже мы и выпрямили напряжение с помощью диодного моста, то почему амплитуда каждой полуволны стала еще чуть меньше?

Дело все в том, что на диода в прямом смещении падает напряжение в 0,6-0,7 Вольт. Именно поэтому оно и вычитается с амплитуды напряжения, которое надо выпрямить.

Давайте теперь к диодному мосту запаяем конденсатор емкостью в 5000 мкФ и не будем цеплять никакую нагрузку

Тыкаем щупом сюда

Получили вот такую осциллограмму постоянного тока. Она в 1,41 раз больше, чем действующее (среднеквадратичное) значение сигнала с ЛАТРа (о действующем напряжении чуть ниже)

А теперь цепляем лампочку

Осциллограмма кардинально изменилась.

Как мы видим, напряжение просело и у нас получилась осциллограмма постоянного напряжения с небольшими пульсациями. Вот эти маленькие «холмики» и есть пульсации, в отличите от «гор» сразу после диодного моста с лампочкой-нагрузкой. Физический смысл здесь такой: конденсатор не успевает разряжаться на нагрузке, как снова приходит новая «горка» и снова заряжает конденсатор.

Правило диодного выпрямителя с конденсатором очень простое: чем больше емкость конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше по амплитуде будут пульсации, и наоборот.

Но почему у нас просело напряжение? Ведь было уже 10 Вольт постоянного напряжения на конденсаторе без нагрузки?

А как цепанули лампочку стало намного меньше…

В чем же проблема? А проблема именно в законе сохранения энергии…

Среднеквадратичное значения напряжения

Итак, давайте еще раз вспомним: что такое ?

Допустим, у нас есть лампочка накаливания. Я ее подцепил к источнику постоянного тока и она у меня загорелась с какой-то яркостью. Потом я цепляю эту лампу к источнику переменного тока и добиваюсь такого же свечения лампы. Форма сигнала постоянного и переменного напряжения разные, а мощность, выдаваемая в нагрузку, в данном случае лампочку, одинаковая. Можно сказать, что среднеквадратичное значение переменного тока равняется значению постоянного тока.

То есть если у нас лампочка на 12 Вольт, я могу подать на нее 12 Вольт с блока питания или 12 Вольт с ЛАТРа. Лампочка будет светить с такой же яркостью. Мультиметр в режиме измерения переменного тока показывает именно среднеквадратичное значение напряжения .

Итак, чему же равняется среднеквадратичное значение вот этого сигнала?

А давайте замеряем. Для этого я беру мой любимый прибор токоизмерительные клещи , в который встроен целый мультиметр с True RMS и начинаю замерять среднеквадратичное значение

Мультиметр показал 7,18 Вольт. Это и есть среднеквадратичное значение этого сигнала.

Для синусоидальных сигналов оно легко вычисляется по формуле:

где

U max — максимальная амплитуда, В

U Д — действующее (среднеквадратичное) значение напряжения, В

Как мы подцепили нагрузку, у нас сразу просела амплитуда напряжения с ЛАТРа, а следовательно, и среднеквадратичное значение напряжения

6, 68 Вольт. Хотя по формуле получается 9/1,41=6,38. Спишем на погрешности измерения.

Среднеквадратичное значение сложных сигналов

Но чему же равняется среднеквадратичное значение напряжения после диодного моста с включенной нагрузкой-лампочкой?

Для определения среднеквадратичного значения такого сигнала:

нам понадобится формула и табличка.

Вот формула:

где K a — это коэффициент амплитуды

U max — максимальная амплитуда сигнала

U — действующее (среднеквадратичное) значение сигнала

А вот и табличка:

Теперь ищем по табличке наш пульсирующий сигнал с выпрямителя. Как мы видим, его коэффициент амплитуды равен 1,41 или, если быть точнее, √2. То есть точно такой же, как и у синусоидального сигнала.

Вычисляем по формуле и получаем:

После того, как мы поставили конденсатор, у нас почти получилась осциллограмма постоянного тока с значением в примерно в 6 Вольт, если полностью усреднить нашу кривую, то есть пренебречь небольшими пульсациями. Можно даже сказать, что это значение постоянного тока будет равняться среднеквадратичному значению переменного тока номиналом в 6 Вольт. Не забываем, что 0,6-0,7 Вольт у нас падают на диодах.

Заключение

Итак, какие выводы делаем из всего вышесказанного и показанного? Среднеквадратичное значение напряжения на выходе диодного выпрямителя чуточку меньше, чем до диодного моста. По 0,6-0,7 Вольт падает на диодах. Если бы мы поставили диоды Шоттки, то выиграли бы 0,3-0,4 Вольта, так как падения на Шоттках 0,2-0,3 Вольта. Схема двухполупериодного выпрямителя, с энергетической точки зрения является очень неплохой и поэтому используется в большинстве радиоэлектронных устройств.

• " onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
• E-mail

Подробности Категория: Электротехника

Выпрямители переменного тока

Электростанции вырабатывают переменный ток. Однако 25-30% электрической энергии используется в устройствах, работающих на постоянном токе. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяют выпрямители .
Для выпрямления переменного тока раньше использовались электромагнитные преобразователи, ртутные, ионные, электронные лампы . В настоящее время в основном применяются полупроводниковые выпрямители. Они проще по конструкции, меньше по размерам, надежнее при эксплуатации, удобнее при обслуживании и имеют более высокий КПД.

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами . Для них характерно наличие двух типов проводимости: электронной , или n -проводимости, за счет свободных электронов; дырочной , или p -проводимости, за счет валентных электронов (дырок). Введение определенных примесей позволяет получать полупроводники проводимости n - или p -типа. Если полупроводник имеет две зоны с различными типами проводимости, то на их границе образуется n - p -переход, обладающий односторонней проводимостью электрического тока.

Действительно, при подключении положительного полюса источника к зоне с проводимостью р -типа, а отрицательного - к зоне с проводимостью n -типа дырки будут отталкиваться положительным потенциалом источника тока, а электроны - отрицательным. В результате этого они движутся навстречу друг другу, частично рекомбинируя в зоне перехода, а затем притягиваются к электродам источника питания, обеспечивая прохождение электрического тока через диод (рис. справа, а ). Если же последний подключить иначе (рис. справа, б ), то зона перехода обедняется носителями зарядов, а его сопротивление резко возрастает и ток через диод не проходит.

Одностороннюю проводимость диода демонстрируют с помощью установки, схематически изображенной на рис. слева.

Такая конструкция диода имеет специфическую зависимость тока от напряжения и имеет вид «клюшки ». Для резистора вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии.

Для наблюдения
осциллограммы вольт-амперной характеристики диода, выражающей зависимость величины проходящего через него тока от приложенного напряжения, собирают установку, изображенную на рис. справа, а . Используя вольт-амперную характеристику диода, можно объяснить его свойство выпрямлять переменный ток, нарисовав графики тока и напряжения (рис. справа, б ). Если включить генератор развертки осциллографа в установке, то можно наблюдать осциллограмму выпрямленного тока.

Для проводника развернутая диаграмма тока имеет вид синусоиды.

С помощью выпрямителей получают пульсирующий ток , направление которого не меняется, а меняется величина. Для того, чтобы сгладить пульсацию тока, последовательно с диодом включают дроссель (катушка с сердечником), а параллельно - конденсаторы большой емкости (рис. слева). Дроссель и конденсаторы представляют собой фильтр , который сглаживает пульсацию тока. На выходе выпрямителя получают постоянный ток по величине и направлению.

Для выпрямления переменного тока используют три вида выпрямителей: однополупериодный (рис. справа, а ), двухполупериодный со средней точкой (рис. справа, б ) и двухполупериодный по мостовой схеме (рис. справа, в ).
Полупроводниковые диоды разнообразны по конструкции и назначению. Для сильных токов применяют плоскостные диоды, а для слабых токов - точечные диоды.