Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности
Выпрямителем называют специальный прибор, который переменный ток переводит в постоянный или пульсирующий.
Разница между постоянным и пульсирующим током заключается в изменении силы тока и напряжения. В первом случае их нет, а во втором — происходят небольшие колебания в положительных областях. Переменный же ток изменяется от отрицательного до положительного значений. Получить постоянный ток из пульсирующего помогают фильтры, которые располагают в цепи уже за выпрямителем.
Дополнительно к основной функции, прибор может стать инвертером и делать переменный ток из постоянного. Выпрямитель напряжения может быть нескольких видов: механическим, полупроводниковым, электровакуумным.
Сфера применения выпрямителей
Рассмотрим основные сферы использования выпрямителя напряжения:- на электротранспорте — трамваи, троллейбусы, поезда метро и железной дороги. Прибор используют для обеспечения электричеством контактных сетей;
- в электростанциях — в генераторах устройство отвечает за начало производства тока;
- в химической промышленности — прибор участвует в производстве алюминия (в его чистом виде), хлора, щелочи, также он включен в электролизные станции, помогая в осаждении металлов;
- в металлургической промышленности — они включены в схему электропитания кабеля металлопрокатных станов;
-
в возобновляемой энергетике — выпрямитель способствует увеличения коэффициента полезного действия солнечных батарей, решает иные задачи.
Бытовые приборы также снабжены выпрямителями небольшого размера. Они являются частью блока питания. Одним из направлений использования в бытовых приборах является радиоаппаратура.
Принцип работы выпрямителей
Полупроводниковые элементы имеют свойства, которые и легли в основу работы выпрямителя. Несмотря на то, что проводимость этих материалов достаточно средняя, она меняется в зависимости от температуры окружающей среды. Кроме того, электроны движутся только от анода (минуса) к катоду (плюсу). Переменный же ток идет по синусоиде, когда он то в отрицательной области, то в положительной.
На основе данного свойства и работает выпрямитель. Он убирает часть волны из отрицательной области, тем самым уменьшает интервал колебания, а следовательно и время преобразования в приборе. В результате выходит пульсирующий ток, по свойствам приближающийся к постоянному. А полуволна отрицательной области может переходить в положительную (инвертироваться). Все это возможно благодаря мостовой конструкции прибора, состоящей из 4-х вентилей.
Технические параметры выпрямителей
К основным техническим характеристикам выпрямителя относятся:- Мощность устройства — дает понимание максимальной нагрузки и определяется, как сумма мощностей электрических приборов, которые будут включены в сеть, с добавление 30%. Мощность измеряется в ваттах либо вольт-амперах. Перевод ватт в вольт-амперы выглядит как 1 к 0,7-1.
- Пульсность преобразования (фазность) — бывают однофазные и трехфазные приборы. Первые работают с напряжение исключительно в 220 В, вторые — от 220 и до 380 В и могут подключаться к сетям с любой фазой.
- Входное напряжение — представляет собой интервал, в котором прибор может провести стабилизацию тока. Как правило, он соответствует 50-120% номинального напряжения. Для 220 В он будет 130-270 В, в для 380 В от составит 200-450 В.
- Быстродействие — измеряется в миллисекундах. Представляет собой время, за которое нейтрализуется перепад напряжения. Эффективность и безопасность работы прибора зависит от скорости преобразования переменного тока в постоянный.
- Точность стабилизации напряжения — это погрешность, которую производитель считает допустимой при проведении измерения. Выглядит как разность напряжений на выходе из устройства: номинального и реального. Конечно лучший вариант это ноль, что практически исключено. Рабочий вариант это 10%, хороший вариант — это 7%, а 2% считается прекрасным.
Классификация устройств требует применения определенных критериев. Существуют 5 параметров, на которых основаны совмещенные систематизации:
- число периодов колебания синусоиды переменного тока, которые находятся в работе;
- число фаз — чаще используют однофазные или трехфазные, но существуют и 2-х фазные, а также конструкции с неограниченных количеством фаз;
- тип прибора — существуют устройства умножающие напряжение, включающие электромост, без или с наличием трансформатора;
- тип полупроводниковой конструкции, отвечающей за пропуск синусоидной волны. Они могут быть вакуумные, тиристорные, ртутные, механические, диодные;
- вид волны — существуют следующие преобразователи: аналоговые, импульсные и цифровые.
Есть несколько часто используемых схем у описанных нами видов выпрямителей. Ознакомимся с ними подробнее.
Одиночный четвертьмост
Или однополупериодный прибор, который признается самым простым вариантом. В устройстве используется один диод в качестве вентиля. Высокая погрешность (свыше 10%) требует применения фильтров, которые бы проводили сглаживание тока от переменного к постоянному. Это повышает сложность цепи и требует больше энергии. В результате модель редко используют на промышленных предприятиях. А вот для компьютеров она удобна, особенно для тех, где частота волны около 10 герц. К недостаткам можно отнести: маломощность, высокую пульсацию, намагничивание. А к достоинствам — низкую цену.
Два четвертьмоста параллельно
Это усложненная модель предыдущей схемы, где используется два одинаковых чертвертьмоста. То есть мощность и прочие их характеристики должны быть равны. Соединение происходит таким образом, чтобы положительная часть волны разделялась надвое, и они шли через каждый чертвертьмост одновременно. Это делается для возрастания скорости, с которой происходит стабилизация тока (переменного). Погрешность уменьшается процентов на 30-40. Причина заключается в более низкой частоте пульсации половинки полуволны по сравнению с целой. Впрочем, минусы оcтаются все теми же.
Два полных моста последовательно
Не часто используемая схема двухфазных выпрямителей. Выглядит как 2 моста с 4-мя силовыми диодами в каждом. Один из них будет анодным, а второй катодным. Через первый пойдет положительная полуволна, через второй отрицательная. Параллельное подключение позволяет одновременно проходить обеим частям волны. В каждом выпрямителе часть волны делится на 4 потока с более низкой пульсацией. Конструкция позволяет поднять в 4 раза сопротивление контура, что способствует более низкой пульсации на выходах.
Мостовая схема
Данная схема представлена в двухполупериодных выпрямителях. По конструкции это 2 диода плюс трансформатор. Это дает возможность проведения электричества в 2-х частях цикла переменного тока. Сквозь первый диод проходит положительная синусоида полуволны, а через второй отрицательная. В результате вдвое снижается амплитуда колебания тока. Делается это следующим образом. К трансформатору, его вторичной обмотке, подключаются диоды. Сама обмотка снабжена отводом, дает сильное сопротивление току.
Схема из 12 диодов
Это параллельная схема, но она достаточно необычна и имеет худшее распространение. Конструктивно она выглядит как параллельное подключение 12 диодов, следовательно, полуволна будет делиться на 6 либо 12 потоков, идущих параллельно. Первый вариант возможен при инвертировании отрицательной полуволны (конструкция должна это позволять). Второй — при ее отсечении. В результате полуволна, прошедшая через контур теряет колебания и выходит постоянный ток практически без них.
Три полных моста последовательно
Представляет собой одну из разновидностей трехфазной схемы. Конструкция выглядит как 3 моста с 4-мя диодами в каждом. Достоинством является высокое сопротивление системы, которое больше в 9 раз, чем сопротивление одного диода. Каждый мост имеет данный показатель больше в 3 раза, чем в единичном диоде. Следовательно, происходит уменьшение амплитуды колебаний волны на входе, что сводит дальнейшие действия по снижению пульсации тока к минимуму. Напряжение и сила тока на выходе из устройства будут высокими. Это дает возможность использования схемы для высокомощных электрогенераторов.
Схема Ларионова
Вышла в свет в 1924 г. она из рук профессора А.Н. Ларионова. Она является мостовой схемой с 3-мя фазами. Диодов в ней всего 6. Работа заключается в стабилизации, инвертировании отрицательных полуволн и нормализации положительных для переменного тока. Конструктивно диоды объединены в две трехфазные группы, из них сделан мост. При этом первая группа будет нижней катодной, а вторая — верхней анодной. Соответственно по нижней течет отрицательный ток, а положительный — по верхней. Полуволны делятся на 3 потока, это понижает пульсацию практически до 0 или постоянного тока. Положительным является отсутствие намагничивания у трансформатора.
Схема Миткевича
В 1901 году В.Ф. Миткевич предложил использовать мостовую схему с 3-мя фазами. Наиболее простая представлена 3-мя запараллеленными чертвертьмостами. Выглядит она как урезанная схема Ларионова. В работе находится положительная полуволна, а отрицательная убирается. Первая делится на 3 потока, происходит уменьшение пульсации. Для того, чтобы их полностью убрать необходимы фильтры. Подключение диодов происходит через вторичную обмотку трансформатора.
Дополнительные сведения
В схему прибора изредка включают гальванические развязки. Последние состоят, кроме прочего, из накопителей. Характеристики тока в данном случае улучшаются за счет снижения колебания пульсирующего тока. Происходит постоянная подача выпрямленного тока.
12.02.2024
