Электрическую энергию удобно транспортировать и преобразовывать по величине в виде переменного напряжения. Именно в таком виде она подается к конечному потребителю. Но для питания многих устройств нужно все-таки постоянное напряжение.
Содержание
Для чего нужен выпрямитель в электротехнике
Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:
- формирование постоянного тока для силовых электроустановок (тяговые подстанции, электролизные установки, системы возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
- источники питания для электронных приборов;
- детектирование модулированных радиосигналов;
- формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.
Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.
Принципы работы выпрямителей
В основу работы выпрямительных устройств положено свойство односторонней проводимости элементов. Делать это можно разными способами. Многие пути для промышленного применения отошли в прошлое – например, применение механических синхронных машин или электровакуумных приборов. Сейчас применяются вентили, проводящие ток в одну сторону. Не так давно для мощных выпрямителей применялись ртутные устройства. На сегодняшний момент они практически вытеснены полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.
Типовые схемы выпрямителей
Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.
Однофазные выпрямители
Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.
Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.
Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:
- высокий уровень пульсаций – для сглаживания и получения постоянного тока потребуется большой и громоздкий конденсатор;
- неполное использование мощности понижающего (или повышающего) трансформатора, ведущее к увеличению потребных массогабаритных показателей;
- средняя ЭДС на выходе составляет меньше половины подведенной ЭДС;
- повышенные требования к диоду (с другой стороны – нужен всего один вентиль).
Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.
Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:
- положительная полуволна по пути, обозначенному красными стрелками;
- отрицательная полуволна по пути, обозначенному зелеными стрелками.
Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.
Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.
Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.
Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.
Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление, по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.
Трёхфазные выпрямители
От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.
Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.
И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).
Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.
Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.
Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».
Здесь амплитуда и частота пульсаций такая же, как в предыдущей схеме. Но средняя ЭДС меньше, чем в предыдущей схеме в раз. Поэтому такое включение используется редко.
Выпрямители с умножением напряжения
Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:
Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.
В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.
Удвоитель, собранный по схеме Латура, имеет большую нагрузочную способность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массогабаритным показателям этот вариант также выигрывает у предыдущего. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного – С2. Ёмкости включены последовательно, а по отношению к нагрузке – параллельно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов. Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а величина зависит от значения емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсации. И здесь надо найти разумный компромисс.
Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.
Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.
Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.
Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.
Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.
Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.
В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.
Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.
Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.
Похожие статьи:
(4 оценок, среднее: 4,75 из 5)
Загрузка...