Разновидности и принцип работы выпрямителей напряжения

Разновидности и принцип работы выпрямителей напряжения

Исторически сложилось, что электроэнергию выгоднее и дешевле получать в виде переменного тока, вырабатываемого генераторами силовых станций. Такое представление позволяло эффективно передавать ее на огромные расстояния. На приемном конце она преобразовывалась в удобное для потребителей однофазное напряжение и в этом виде поступала в линию питания. Однако внутренние схемы большинства современных электроприемников нуждаются в постоянном питании, величина которого выбирается из стандартного ряда значений 5, 9, 12, 24, 36 или 48 Вольта. Для их получения в схему электронных приборов пришлось вводить специальный выпрямитель напряжения (на 24 Вольта, например).

Выпрямители (Часть 1). Виды и устройство. Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Устройство и структура выпрямителя

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Рис. 2

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iн одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

По мощности на выходе:
  • Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
  • Средней мощности – менее 100 кВт.
  • Малой мощности – до 0,6 киловатт.
По фазности сети питания:
  • 1-фазные.
  • 3-фазные.
По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U2 за один период:
  • Однотактные (имеют один полупериод).
  • Двухтактные (два полупериода).
По типу управления вентилями выпрямители делятся на:
  • Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
  • Неуправляемые. Используются диоды.
Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:
  • Активно-емкостная.
  • Активно-индуктивная.
  • Активная.
Расчет выпрямителя

Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.

Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.

К таким факторам можно отнести:
  • Мощность и напряжение.
  • Пульсация и частота напряжения на выходе.
  • Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
  • Коэффициент мощности и другие параметры.
  • КПД.

Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:

Где Id, Ud, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I1, U1 — рабочая первичная величина тока и напряжения, I2, U2 – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления
Однофазные выпрямители

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однотактная схема

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Нагрузочный ток id под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е2) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток ivd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя ud всегда ниже ЭДС обмотки е2, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля Uобрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину Id, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.

Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Схема двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1, во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2. Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

Читайте также  Не греет микроволновка причина

График двухполупериодного выпрямителя

Мостовые устройства

Мостовые выпрямители продаются для блоков питания и преобразователей. Действуют устройства в сети с переменным током. Непосредственно изменение частоты осуществляется за счет работы расширителя. Указанный элемент в выпрямителе играет роль проводника. В некоторых случаях он устанавливается с изоляторами. По системе защиты мостовые выпрямители довольно сильно отличаются.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них используются триггеры. Данные элементы могут устанавливаться с обкладкой и без нее. Модификации на четыре канала встречаются очень редко. Показатель проводимости тока у выпрямителей не превышает 40 мк. В данном случае чувствительность устройства равняется 2,5 мк.

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;

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.

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.

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.

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;

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.

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.

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.

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.

Читайте также  Как отполировать латунь

Принцип действия прибора

В любом выпрямителе, независимо от его типа, применяются полупроводниковые элементы, свойства которых и обеспечивают преобразование переменного в постоянный. Будучи изготовленными из особых материалов, например, кристаллизированного германия или кремния с добавлением легирующих компонентов, эти элементы обладают способностью проводить ток только в одном направлении.

Смотрим видео о устройстве прибора:

В современных выпрямителях переменного потока применяют три типа полупроводниковых деталей:

Самый простой вариант полупроводникового элемента. Имеет два вывода, которые называются анодом и катодом. Функция диода в электрической схеме аналогична функции обратного клапана в системе трубопроводов: элемент пропускает электроток, направленный от анода к катоду, и закрывается, как только направление тока меняется на обратное.

Главными характеристиками диодов являются:

  • Максимальный ток;
  • Максимальное напряжение, которое удерживает запертый диод (в случае превышения допустимой величины будет иметь место пробой диода, при котором ток пойдет через элемент в обратном направлении);
  • Быстродействие или, иначе говоря, время, которое необходимо диоду для того, чтобы закрыться: от этой характеристики будет зависеть, с токами какой частоты сможет работать элемент;
  • Доля потерь электроэнергии, которая рассеивается в виде тепла.

Этот элемент устроен похожим образом, но кроме анода и катода он имеет управляющий электрод, по которому можно передавать сигнал на открытие или закрытие. Этим обусловлено второе название тиристора – управляемый диод.

Смотрим видео, простое зарядное устройство на тиристоре:

Перечень характеристик у тиристоров такой же, как у диодов, только к нему добавлены параметры управляющего сигнала. Часто в электротехнике диоды и тиристоры называют полупроводниковыми вентилями.

Этот полупроводниковый элемент позволяет с помощью маломощного управляющего сигнала осуществлять гибкое управление величиной пропускаемого тока большой мощности и его напряжением.

Самой простой версией однофазного полупроводникового выпрямителя является так называемый диодный мост:

Как видно, независимо от направления действия электродвижущей силы в источнике переменного, электрический ток на нагрузке всегда будет направлен в одну и ту же сторону. Одним из основных Недостатков данной схемы является пульсирующий вид выпрямленного тока, поэтому даже самые простые выпрямители не могут работать без применения сглаживающих конденсаторных фильтров.

Следует отметить, что сварочным выпрямителем называют не сам выпрямитель в чистом виде, а устройство, способное выдавать стабильный постоянный ток большой силы, который необходим для проведения сварочных работ.

Поэтому в этих приборах помимо непосредственно выпрямителя имеется еще и трансформатор. Кроме того, они могут оснащаться всевозможными фильтрами, управляющими платами, защитной и измерительной аппаратурой.

Если сравнивать сварочные выпрямители с преобразователями, то можно выделить несколько преимуществ:

Применение выпрямителя обеспечивает более стабильную электроразрядную дугу;

  • Значительно сокращается объем разбрызгиваемого металла;
  • Выпрямители имеют более высокий КПД;
  • Уменьшены потери холостого хода;
  • Обеспечивается более широкий диапазон регулирования силы сварочного тока;
  • Применение выпрямителя обеспечивает более широкие возможности по автоматизации процесса электросварки;
  • Уменьшается масса и габариты сварочных аппаратов.
  • Кратко об управляемых преобразователях

    Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.

    Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

    Сглаживание пульсирующего тока

    После простейших выпрямителей ток трудно назвать постоянным, так как напряжение постоянно изменяется от нуля до максимума (но никогда не уходит в отрицательные значения). Поэтому к выпрямителю добавляется фильтр, который замедляет скорость нарастания напряжения и его угасания. Таким образом до максимального уровня сети напряжение не успевает подняться до начала спада, но и опуститься до нуля ему тоже не удается. Напряжение на выходе выпрямителя со сглаживающими фильтрами примерно равно половине напряжения сети.

    Из-за инерционности элементов и потерь абсолютно постоянного тока достичь практически невозможно, но колебания в 5-10% (в зависимости от требований схемы может быть и больше) не влияют на работоспособность электроприборов.

    Классификация по назначению и устройству

    Помимо указанной классификации современные выпрямители делят по устройству и назначению на следующие виды:

    Это наиболее простой вариант сварочного выпрямителя. Устройство включает три главных компонента:

    1. Понижающий трансформатор: увеличивает силу тока;
    2. Выпрямляющая схема: превращает переменный ток в постоянный;
    3. Блок конденсаторов: сглаживает пульсации тока.

    Основные недостатки классических выпрямителей — большой вес и размеры, а также малая продолжительность нагрузки в цикле. Последнее означает, что аппарат может работать недолго и со значительными перерывами, необходимыми для охлаждения. Поэтому классические выпрямители применяются, в основном, для разовых работ – в быту или в мелких мастерских.

    Эти агрегаты применяются в промышленности или на стройплощадках, где сварочные работы ведутся постоянно и в больших объемах. Устройство подает ток высокой величины сразу на несколько сварочных постов. Каждый вывод снабжен собственным регулировочным механизмом, состоящим из дросселя и реостата, что дает возможность настраивать собственные рабочие параметры на каждом из постов.

    Применение многопостового выпрямителя позволяет сократить затраты на покупку оборудования и его обслуживание.

    Главным недостатком аппарата данного типа является то, что в случае его поломки работа останавливается на всех постах одновременно.

    Сварочный агрегат классического типа даже при относительно малой мощности отличается довольно внушительными габаритами и весом, что обусловлено, в первую очередь, размерами понижающего трансформатора. Было установлено, что с повышением частоты переменного тока магнитопровод силового трансформатора можно существенно уменьшить. Этот принцип был положен в основу устройства инверторного выпрямителя. Этапы преобразования тока в этом устройстве имеют следующий порядок:

    1. Выпрямление сетевого тока частотой 50 Гц;
    2. Превращение постоянного тока в переменный с частотой 60 – 80 кГц (применяются быстропереключаемые ключевые транзисторы);
    3. Понижение напряжения высокочастотного переменного тока и, соответственно, увеличение его силы;
    4. Выпрямление выходного тока (применяется диодный мост на быстродействующих диодах).

    Характеристики выпрямителей

    К основным характеристикам выпрямителей относят:

    • Номинальный сварочный ток, А;
    • Номинальное рабочее напряжение, В;
    • Минимальный сварочный ток, А;
    • Минимальное рабочее напряжение, В;
    • Номинальная продолжительность нагрузки, %;
    • Время цикла.

    Благодаря современным выпрямителям, выполнять сварочные работы стало значительно проще.