Принцип работы выпрямителя

Маломощные выпрямители

Маломощные выпрямители - фотография 1 - изображение 1

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)). Содержание:

  • Принцип работы выпрямителя
  • Нулевая схема выпрямления
  • Выпрямительный мост или схема Гретца
  • Основные соотношения для выпрямителя
  • Среднее значение выпрямленного напряжения
  • Амплитудное значение вторичного напряжения
  • Действующее значение тока вторичной обмотки
  • Действующее значение тока первичной обмотки
  • Мощность трансформатора
  • Пульсация выпрямленного напряжения
  • Средний ток диодов
  • Наибольшее обратное напряжение на диоде

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Принцип работы выпрямителя - изображение 2 - изображение 2

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Нулевая схема выпрямления - фото 3 - изображение 3

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

Выпрямительный мост или схема Гретца - фотография 4 - изображение 4

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Основные соотношения для выпрямителя - изображение 5 - изображение 5

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы - фотография 6 - изображение 6

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Описание - изображение 7 - изображение 7

 Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным  было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент  полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из  диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Принцип работы - фото 8 - изображение 8

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и 

Полуволновое выпрямление - изображение 9 - изображение 9

 . Поскольку Ud считаем заданным, то

Полноволновое выпрямление - изображение 10 - изображение 10

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель - фотография 11 - изображение 11

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Форма волны на выходе выпрямителя - изображение 12 - изображение 12

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя - фото 13 - изображение 13

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель - фотография 14 - изображение 14

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Полностью управляемый мостовой выпрямитель - фотография 15 - изображение 15

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Резюме однофазного выпрямления - фотография 16 - изображение 16

Где: l – полупериод π/m;  

Выпрямители тока: принцип работы, схема - фото 17 - изображение 17

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Схема выпрямителя - фото 18 - изображение 18

Заменив  

Принцип действия - изображение 19 - изображение 19

 получим:

Силовые устройства - фото 20 - изображение 20

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Принцип работы выпрямителей сигналов - изображение 21 - изображение 21

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Мостовые устройства - фото 22 - изображение 22

Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы

Двухфазные модификации - фотография 23 - изображение 23

Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока. В этом уроке мы рассмотрим однофазное выпрямление и все его формы.

Описание

Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.

Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Трехфазные модели - изображение 24 - изображение 24

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 o . Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения, тока или напряжения, вдоль оси y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A MAX , V MAX или I MAX  ), указывающее наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем снова вернуться к нулю. Для синусоидальной формы волны есть два максимальных или пиковых значения, одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух ценностей есть еще две, которые представляют интерес для нас в целях исправления. Один — это Среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы сигнала получается путем добавления мгновенных значений напряжения (или тока) в течение одного полупериода и обнаруживаются как: 0,6365 * V P . Обратите внимание, что среднее значение за один полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V P.

Принцип работы

Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.

Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.

Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.

Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 o, как показано на рисунке.

Полуволновое выпрямление

Полноволновые устройства - изображение 25 - изображение 25

Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.

Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.

Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.

Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.

Таким образом, во время положительного полупериода A AVE составляет 0,637 * A MAX . Однако, поскольку отрицательные полупериоды удалены из-за выпрямления диодом, среднее значение в течение этого периода будет нулевым, как показано.

Среднее значение синусоиды

Неполноволновые модификации - изображение 26 - изображение 26

Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Однопериодные модификации - изображение 27 - изображение 27

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:

AVE  = 0,318 * V MAX

I AVE  = 0,318 * I MAX

Обратите внимание, что максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:

AVE  = 0,45 * V RMS

I AVE  = 0,45 * I RMS

Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A MAX или 0,45 * A RMS, как показано.

Схема двухпериодных устройств - фотография 28 - изображение 28

Полноволновое выпрямление

В отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выхода. Это происходит потому, что двухполупериодный выпрямитель в основном состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Особенности трансформаторных устройств - фотография 29 - изображение 29

Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V IN и V OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V IN диоды D 1 и D 4 смещены в прямом направлении, а диоды D 2 и D 3 — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 1 — A — R L — B — D 4 и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V IN диоды D 3 и D 2 смещены в прямом направлении, а диоды D 4 и D 1 — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 3 — A — R L — B — D 2 и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.

Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Форма волны на выходе выпрямителя

Модели с умножением напряжения - фото 30 - изображение 30

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением. Мы помним сверху, что среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды. Однако, в отличие от описанного выше полуволнового выпрямления, двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

Модификации с гальванической развязкой - фотография 31 - изображение 31

Здесь мы можем видеть, что для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов - фотография 32 - изображение 32

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:

AVE  = 0,637 * V MAX

I AVE  = 0,637 * I MAX

Как и прежде, максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

AVE  = 0,9 * V RMS

I AVE  = 0,9 * I RMS

Затем мы можем видеть, что двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A MAX или 0,9 * A RMS.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

Принцип работы - изображение 33 - изображение 33

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Разновидности устройств, их обозначение - фото 34 - изображение 34

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Вольт-амперная характеристика - фотография 35 - изображение 35

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

Коэффициент выпрямления - фото 36 - изображение 36

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR 1 и SCR 4 запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR 3 и SCR 4 также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 oпосле SCR 1 и SCR 4 .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

Основные параметры устройств - фотография 37 - изображение 37

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V MAX / π до -V MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α <90 o,среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 oсреднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Резюме однофазного выпрямления

Мы увидели в этом уроке об однофазном выпрямлении, что однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.

Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.

Тогда независимо от того, как мы это делаем, преобразование синусоидального сигнала переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением.

Автор: Тимеркаев Борис

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Выпрямители тока: принцип работы, схема

Выпрямительные схемы - фото 38 - изображение 38

Выпрямитель - это устройство, которое создано для преобразования тока. Многие модели устанавливаются с фильтрами. Сфера применения выпрямителей очень широкая. Они активно используются в блоках питания, подстанциях, а также сварочных аппаратах.

В первую очередь модели делятся по фазам. Существуют двухфазные, а также трехфазные модификации. Мостовые устройства изготавливаются исключительно для преобразователей. По мощности выделяют силовые элементы, а также модели сигналов. По наличию устройств стабилизации они делятся на полноволновые, неполноволновые, двухпериодные и трансформаторные модификации. Для того чтобы разобраться в выпрямителях, необходимо рассмотреть схему обычной модели.

Импульсные приборы - фото 39 - изображение 39

Схема выпрямителя

Схема выпрямителя тока включает в себя проводники с различной проводимостью тока. Также в устройствах используются каналы. Электронные вентили устанавливаются различной чувствительности. Если рассматривать мостовые модификации, то у них применяются стабилитроны. Также на рынке представлены диодные устройства.

Принцип действия

Принцип работы выпрямителя основывается на преобразовании тока. Осуществляется данный процесс за счет изменения частоты. Для этого в устройстве имеется электронный вентиль. Для стабилизации процесса преобразования используются каналы. Чтобы избежать проблем с отрицательной полярностью, устанавливаются стабилитроны. Непосредственно подключение устройства осуществляется через проводники.

Импортные приборы - изображение 40 - изображение 40

Силовые устройства

Выпрямители тока данного типа используются в различных блоках питания. Наиболее часто их можно встретить в персональных компьютерах. Схема устройства предполагает использование векторного транзистора. Если рассматривать двухканальную модификацию, то подключение осуществляется через расширитель.

В некоторых устройствах используются тетроды. Если рассматривать трехканальные элементы, то они рассчитаны для блоков питания на 20 В. В данном случае тетроды никогда не применяются. Принцип работы выпрямителей построен на изменении частоты. Многие модификации продаются с электронными вентилями. Если говорить про параметры, то чувствительность устройства колеблется в районе 23 мВ. Непосредственно проводимость тока у моделей не превышает 2 мк.

Принцип работы выпрямителей сигналов

Выпрямители сигналов работают от обратной связи. Использоваться модели могут только в сети с переменным током. Если рассматривать устройства на 12 Вт, то следует отметить, что фильтры применяются только полудуплексного типа. Также стандартная схема выпрямителя подразумевает использование транзистора с ресивером.

У моделей на три канала обязательно используются триггеры. Данные устройства устанавливаются через изоляторы. Выходное напряжение у моделей, как правило, не превышает 20 В. Силовая электроника у выпрямителей позволила решить проблему с перепадами напряжения за счет установки диодных мостов.

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета - изображение 41 - изображение 41

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.

Двухфазные модификации

Двухфазные выпрямители тока производятся для транспортных средств. Работают модели по принципу изменения частоты. Осуществляться этот процесс может за счет расширителя либо триггера. Наиболее часто модели встречаются без тетродов. Параметр предельной перегрузки у модификаций не превышает 6 А. Фильтры используются, как правило, проводного типа.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них есть двухразрядный триггер. Показатель его чувствительности составляет не более 3 мк. В свою очередь, выходное напряжение максимум равняется 35 В. Силовая электроника у двухфазных устройств дала возможность решить проблему с перегрузками напряжения благодаря использованию диодных мотов.

Трехфазные модели

Трехфазный выпрямитель встретить можно только в трансформаторных подстанциях. Работают устройства от высоковольтной чети. В данном случае принцип работы модели построен то резком увеличении частоты. Параметр выходного напряжения при этом остается неизменными. Выпускаются модели на три и четыре канала. Подсоединение у них происходит через проводники.

Трехфазный выпрямитель на три канала выпускается с тетродами. В некоторых случаях для стабилизации процесса преобразования применяются расширители. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то важно отметить, что они производятся всегда с усилителями. В данном случае показатель проводимости тока лежит в пределах 70 мк. Чувствительность выпрямителя равняется не более 4,2 мВ.

Однофазный однополупериодный выпрямитель - фото 42 - изображение 42

Полноволновые устройства

Полноволновый выпрямитель напряжения тока работает за счет смены полярности на расширителях. Транзисторы, как правило, используются открытого типа. Подходят данные устройства для преобразователей на 20 и 30 В. Непосредственно параметр чувствительности у них равняется 3 мВ. В свою очередь, проводимость тока находится в районе 4,5 мк.

Если говорить про модификации на три канала, то они устанавливаются только в блоки питания с усилителями. Фильтры для выпрямителей подходят в основном расширительного типа. Если говорить про устройства на четыре канала, то у них показатель проводимости тока лежит в районе 3 мк. Для трансформаторных подстанций модели не подходят.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой - фотография 43 - изображение 43

Неполноволновые модификации

Неполноволновые выпрямители тока отличаются отсутствием электронного вентиля. Выпускаются элементы только с двумя каналами. Непосредственно подсоединение модификации осуществляется через контакты. Изоляторы используются как с обкладкой, так и без нее. В некоторых случаях применяются усилители.

Также важно отметить, что устанавливаются выпрямители данного типа в контроллерах. Параметр выходного напряжения у них, как правило, не превышает 30 В. В среднем чувствительность устройств составляет 75 мВ. В данном случае проводимость тока зависит от типа используемых фильтров.

Однопериодные модификации

Однопериодные выпрямители тока производятся для различных ресиверов. Отличительной чертой элементов принято считать высокий параметр проводимости тока. Работают устройства от обратной полярности. Выпускаются модели на два и три канала. Если рассматривать первый вариант, то важно отметить, что проводники используются с обкладкой. В данном случае расширители устанавливаются редко. Параметр проводимости тока у выпрямителей колеблется в районе 3 мк.

Если говорить про устройства на три канала, то они всегда выпускаются с тетродами. Также схема модификации подразумевает использование модуляторов. Для низкочастотных ресиверов указанные выпрямители подходят идеально. В данном случае чувствительность составляет не более 60 мВ.

Схема двухпериодных устройств

Двухпериодный выпрямитель тока 220 В производится для преобразования тока от приводных устройств. В данном случае процесс происходит за счет изменения частоты напряжения. Расширители у моделей используются, как правило, отрытого типа. Если говорить про модификации на два канала, то у них применяются распределительные фильтры. В некоторых случаях устанавливаются триггеры. Для подключения устройств к приводным установкам необходимы транзисторы полевого типа. Выпускаются они с различной емкостью. Как правило, на рынке представлены модификации на 20 пФ.

Особенности трансформаторных устройств

Трансформаторный выпрямитель (преобразователь электрической энергии) способен работать в сети с постоянным и переменным током. В данном случае триггеры используются трехразрядного типа. Для подключения устройств применяются проводники. Встретить трансформаторные выпрямители можно на подстанциях. Данные устройства рассчитаны на высокое выходное напряжение.

Система защиты у них устанавливается с хроматическими фильтрами. В данном случае параметр чувствительности лежит в пределах 80 мВ. Для приводных механизмов указанные устройства не подходят однозначно. Показатель приводимости тока у них равняется 20 мк. Триггеры для цепей подбираются как открытого, так и закрытого типа. В среднем параметр пороговой перегрузки находится на уровне 5 А.

Однофазный мостовой выпрямитель - изображение 44 - изображение 44

Модели с умножением напряжения

Выпрямители данного типа на сегодняшний день активно используются в преобразователях. Стандартная схема модификации включает в себя вентиль, а также транзисторы. В среднем показатель их емкости равняется 2 пФ. Непосредственно проводимость тока составляет не более 3 мк.

Если говорить про модификации на два канала, то у них используются расширители. Устанавливаются они как открытого, так и закрытого типа. Во многих моделях есть регуляторы. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то они производятся с модуляторами. Для их работы используются различные триггеры. Чаще всего они встречаются трехразрядного типа.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом - фотография 45 - изображение 45

Модификации с гальванической развязкой

Устройства с гальванической развязкой работают по принципу понижения частоты. Подключаются они только от сети с переменным током. В данном случае транзисторы устанавливаются на 20 пФ. Непосредственно показатель чувствительности равняется 88 мВ. Если говорить про модификации на три канала, то у них применяются импульсные модуляторы. Во многих моделях есть защитные системы, которые помогают справляться с перегрузами. Фильтры используются с лучевыми тетродами.

Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) - фото 46 - изображение 46

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

  • Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
  • Второй определяет подкласс,
  • Третий обозначает рабочие возможности,
  • Четвертый является порядковым номером разработки,
  • Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые - фотография 47 - изображение 47

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

Однополупериодный преобразователь - фото 48 - изображение 48

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Принцип действия двухполупериодной схемы - изображение 49 - изображение 49

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

  • Наибольшее значение среднего прямого тока,
  • Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
  • Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

  • Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
  • Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
  • Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

  • Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
  • Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Как организовать двухполярное питание - фото 50 - изображение 50

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Как реализовать удвоение напряжения - фото 51 - изображение 51

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

  • Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
  • Период установки прямого напряжения,
  • Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

Использование операционных усилителей - фото 52 - изображение 52

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения uвых

Uср= 1/T· T∫0uвыхdt

где Т − период напряжения сети (для промышленной сети − 20 мс);

б) среднее значение выходного тока iвыx

Iср= 1/T· T∫0iвыхdt

в) коэффициент пульсаций выходного напряжения ε = Um/ Uср, где Um — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = Um/Uср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

а) действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя;

б) максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение Uср;

в) среднее значение

Iд.ср тока отдельного вентиля;

г) максимальное (амплитудное) значение

Iд.макс тока отдельного вентиля.

Токи Iд.ср и Iд.макс принято выражать через Iср. Значение Uобр.макс используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

Iд.сри Iд.макс используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток Iд.срм мал, но велик максимальный ток Iд.макс. 

 

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Он является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).

Кратко об управляемых преобразователях - фотография 53 - изображение 53

рис. 2.73 а turion

Трехфазный выпрямитель - фотография 54 - изображение 54

рис. 2.73 б turion

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

Uср= √2 / π · Uвх вх≈ 2,22 · Uср

Iср= Uср Rн ε= π/ 2 = 1,57

Uобр.макс= √2 · Uвх= π· Uср

Iд.ср= Iср

Iд.макс= √2 · Uвх/ Rн= π · Iср

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Проектирование - изображение 55 - изображение 55

рис. 2.73 в turion

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА - фотография 56 - изображение 56

рис. 2.74 а turion

Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.74, б).

Основные схемы выпрямления переменного тока - изображение 57 - изображение 57

рис. 2.74 б turion

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:

Uср= 2 · √2 · U2/ π≈ 0,9 · U2

U2 ≈ 1,11 · Uср

Iср= Uср/ Rн

ε= 2/ 3≈ 0,67

Uобр.макс= 2 · √2 · U2= π · Uср

Iд.ср= ½ · Iср

Iд.макс= √2 · U2/ Rн= π· Iср / 2

где U2 — действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель

(рис. 2.75, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

Характеристики и принцип действия выпрямительных диодов - изображение 58 - изображение 58

рис. 2.75 а turion

Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б).

Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:

Uср = 2 · √2 / π· Uвх ≈ 0,9 · Uвх

Uвх ≈ 1,11 · Uср

Iср= Uср/ Rн

ε = 2 / 3 ≈ 0,67

Uобр.макс= √2 · Uвх= π/2 · Uср

Iд.ср= ½ · Iср

Iд.макс= √2 · Uвх/ Rн= π/2 · Iср

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом

Его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.

Принцип действия - фотография 59 - изображение 59

рис. 2.76 turion

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67. частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

приведена на рис. 2.77.

Использование сборки - изображение 60 - изображение 60

рис. 2.77 turion

Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (ε = 0,057), а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.

Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые

Физико-технические параметры - изображение 61 - изображение 61

Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники.

В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств.

Содержание

  1. Однополупериодный преобразователь
  2. Принцип действия двухполупериодной схемы
  3. Как организовать двухполярное питание
  4. Как реализовать удвоение напряжения
  5. Использование операционных усилителей
  6. Кратко об управляемых преобразователях
  7. Трехфазный выпрямитель
  8. Проектирование

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Выбор выпрямительных диодов - фото 62 - изображение 62

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

  • Tr – трансформатор;
  • DV- вентиль (диод);
  • Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
  • Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Практическое использование выпрямительного диода - изображение 63 - изображение 63

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Пояснение:

  • в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
  • U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
  • Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время  отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны  —  это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Сварочный выпрямитель: схема, технические характеристики, устройство - фотография 64 - изображение 64

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Используемые элементы:

  • Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
  • DV1 и DV2 – вентили (диоды);
  • Cf – емкостной фильтр;
  • Rn – сопротивление нагрузки.

Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.

Применение выпрямителей - изображение 65 - изображение 65

Диаграмма прибора балансного типа
  • U1 – осциллограмма на входе;
  • U2 – график перед емкостным фильтром;
  • Un – диаграмма на выходе устройства.

Данная схема — это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:

  • частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
  • уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
  • двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.

Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.

Устройство и принцип работы - фотография 66 - изображение 66

Схема: Пример использования диодного моста

Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост

Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.

Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).

Разновидности аппаратов - фото 67 - изображение 67

Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Плюсы и минусы оборудования - изображение 68 - изображение 68

Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.

Синхронный выпрямитель своими руками - фотография 69 - изображение 69

Схема с удвоением напряжения

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.

В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.

Использование операционных усилителей

Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная,  создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.

Принцип работы выпрямителя - изображение 70 - изображение 70

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ — это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.

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.

Принцип работы выпрямителя - изображение 71 - изображение 71

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Трехфазный выпрямитель

Мы рассматривали различные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но подобные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже, в качестве примера, показано устройство, созданное по схеме Ларионова.

Принцип работы выпрямителя - фотография 72 - изображение 72

Пример реализации схемы Ларионова

Принцип работы выпрямителя - изображение 73 - изображение 73

Осциллограмма на выходе схемы Ларионова

Как показывает расположенный выше график, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе незначительные пульсации. Благодаря этому фильтрующую емкость можно существенно снизить, или вообще обойтись без нее.

Проектирование

Расчет даже простого двухполупериодного преобразователя является непростой задачей. Существенно упростить ее можно используя специальное программное обеспечение.  Мы рекомендуем остановить выбор на программе Electronics Workbench, которая позволяет выполнить схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.

Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т.д.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Принцип работы выпрямителя - изображение 74 - изображение 74

Для получения постоянного тока, необходимого для питания разнообразных схем электроники, зарядки аккумуляторов и других целей, широко применяются выпрямительные устройства, преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямительное устройство, или выпрямитель, содержит три основных элемента (рис. 87): трансформатор 1, электрический вентиль 2 и фильтр 3.

Трансформатор изменяет величину переменного напряжения, получаемого от источника питания, приводя ее в соответствие с требуемой величиной выпрямленного напряжения.

Когда величина напряжения источника питания соответствует требующемуся выпрямленному напряжению, необходимость в трансформаторе отпадает.

Вентиль осуществляет основную функцию выпрямителя – преобразует переменный ток в постоянный.

В качестве вентилей в выпрямителях применяют электронные лампы – кенотроны, полупроводниковые диоды (селеновые, меднозакисные, германиевые и кремниевые), а также ионные приборы.

Фильтр служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока (напряжения) на выходе выпрямителя.

Выпрямители, применяемые в геофизических устройствах, рассчитаны на малые мощности (порядка десятков и сотен ватт) и работают от однофазной сети.

Такие выпрямители называются однофазными

Они делятся на:

1) однополупериодные, в которых ток может проходить через вентиль каждый период переменного напряжения только в течение одной половины периода;

2) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентили в течение обоих полупериодов.

Принцип работы выпрямителя - фотография 75 - изображение 75

В выпрямителях геофизической аппаратуры обычно используются электронные и полупроводниковые вентили.

Основные схемы выпрямления переменного тока

Принцип работы выпрямителя - фотография 76 - изображение 76

Одним из главных применений полупроводнико­вых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования перемен­ного напряжения в постоянное. Выпрямленное на­пряжение еще содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Для обеспечения неизменной величины выход­ного напряжения используется стабилизатор напря­жения. Стабилизатор напряжения удерживает вы­ходное напряжение на постоянном уровне.

Основными параметрами, характеризующими выпрямители, являются: номинальное среднее вып­рямленное напряжение U0 , номинальный средний выпрямленный ток I0 и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения kn.

Коэффициентом пульсаций kn называется отно­шение амплитуды первой гармоники выпрямленно­го напряжения к среднему значению выпрямленно­го напряжения.

Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного на­пряжения и рассеиваемая мощность.

Трансформаторы, работающие в выпрямителях, ха­рактеризуются действующими значениями токов и напряжений первичной и вторичной обмоток и но­минальной мощностью.

Наиболее распространены три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителя изобра­жена на (рис. 12.1), где Т - трансформатор, VD - по­лупроводниковый диод, a R - нагрузка.

Принцип работы выпрямителя - изображение 77 - изображение 77

Рис. 12.1

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки по­дан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, и он пропус­кает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через нагрузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис. 12.2).

Сопротивление Rд диода непостоянно: оно опре­деляется крутизной вольтамперной характеристи­ки в каждой точке. Однако при включении после­довательно с диодом нагрузки RH, сопротивление этой цели становится равным RД + RH , и характе­ристику можно считать линейной (динамическая ха­рактеристика).

Принцип работы выпрямителя - изображение 78 - изображение 78

Рис. 12.2

Среднее за период значение тока, выпрямленно­го однополупериодным выпрямителем

I0=Im/ π (12.1)

где Im ~ амплитуда тока, а среднее постоянное на­пряжение на нагрузке

U0 = I0RH =Um/π -I0Rд (12.2)

Без нагрузки (I0 = 0) напряжение на зажимах вы­прямителя будет равно среднему за период значе­нию положительной волны синусоиды:

U0=Um/ π =0.318Um=0.45U (12.3)

где U - действующее значение переменного напря­жения. При увеличении тока нагрузки напряжение на ней уменьшается на величину падения напряже­ния на диоде (I0Rд ).

Во время отрицательного полупериода, когда диод закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обрат­ное напряжение, действующее на диод,

Принцип работы выпрямителя - фотография 79 - изображение 79

(12,4)

Мы видим, что обратное напряжение на диоде бо­лее чем в 3 раза превышает выпрямленное напряже­ние на нагрузке.

Однополупериодная схема очень редко использует­ся в современных выпрямителях, поскольку вторич­ная обмотка трансформатора работает только полови­ну периода, и поэтому габаритная мощность транс­форматора должна превышать мощность выпрямлен­ного тока примерно в 3 раза. Кроме того, выпрямлен­ное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

На (рис. 12.3) изображена двухполупериодная схе­ма, где Т - трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD1 и VD2 - полупроводнико­вые диоды, a R - нагрузка.

Принцип работы выпрямителя - фотография 80 - изображение 80

Рис. 12.3

Эту схему можно рассматривать как две самосто­ятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD1 и VD2 оказывают­ся открытыми в разные половины периода перемен­ного напряжения, и поэтому ток через нагрузку R протекает в обе половины периода, пульсируя с двой­ной частотой (рис. 12.4).

Принцип работы выпрямителя - фото 81 - изображение 81

Рис. 12.4

Каждый диод здесь работает как в однополупериодной схеме. Токи диодов складываются, поэтому постоянные составляющие тока и напряжения

Принцип работы выпрямителя - фотография 82 - изображение 82

(12.5)

Принцип работы выпрямителя - фото 83 - изображение 83

(12.6)

Из выражения (12.6) следует, что в отсутствие нагрузки напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя.

В двухполупериодной схеме максимальное обрат­ное напряжение, действующее на каждый диод, находящийся в закрытом состоянии, равно сумме амп­литуд напряжений обеих половин вторичной обмот­ки:

Принцип работы выпрямителя - фотография 84 - изображение 84

(12.7)

Ток, протекающий через каждый диод, равен:

Принцип работы выпрямителя - фотография 85 - изображение 85

т. е. по сравнению с однополупериодной в двухполупериодной схеме через каждый диод протекает вдвое меньший ток. Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно ниже.

Двухполупериодная схема довольно часто исполь­зуется на практике. Ее недостатками являются: не­обходимость отвода от середины вторичной обмот­ки трансформатора и неполное использование вто­ричной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.

Мостовая схема выпрямления изображена на (рис. 12.5) и состоит из трансформатора Т и четырех дио­дов: VD1 - VD4.

Принцип работы выпрямителя - фото 86 - изображение 86

Рис. 12.5

Диагональ AВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD - к нагрузке. Полярность напряжения на вторичной обмотке

изменяется каждую половину периода, в результа­те чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток прохо­дит в течение полупериода A —>VD1—>С —>R —> D —> VD3 —>B—>A, а в следующий полупериод по пути В—> VD2 —> С—>R—>D —> VD4 —>A —> R

Таким образом, выпрямленный ток идет через на­грузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.

В мостовой схеме выпрямленный ток и напряже­ние имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой, поэтому согласно (12.5) значение выпрямленного тока

Принцип работы выпрямителя - фото 87 - изображение 87

а выпрямленного напряжения согласно (12.6):

Принцип работы выпрямителя - фотография 88 - изображение 88

Без нагрузки (I0 - 0) напряжение на зажимах вы­прямителя

Принцип работы выпрямителя - фотография 89 - изображение 89

Особенностью мостовой схемы является отсут­ствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по срав­нению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обрат­ное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки:

Принцип работы выпрямителя - фото 90 - изображение 90

( 12.9)

Действующее значение тока, протекающего через Диод,

Принцип работы выпрямителя - фотография 91 - изображение 91

В мостовой схеме ток через каждый диод идет только в течение одногополупериода, тогда как че­рез вторичную обмотке трансформатора - в течение всего периода. Действующее значение тока, проте­кающего через вторичную обмотку,

Принцип работы выпрямителя - изображение 92 - изображение 92

(12.10)

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме та­кие же, как и в схеме с отводом от середины вто­ричной обмотки.

Рассмотрим теперь трехфазные схемы выпрям­ления. Простейшая трехфазная схема выпрямле­ния тока с нейтральной точкой изображена на (рис. 12.6а).

А

Принцип работы выпрямителя - фотография 93 - изображение 93

Б

Принцип работы выпрямителя - фотография 94 - изображение 94

Рис. 12.6

В этой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора соединяются звездой или треуголь­ником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом слу­чае в каждый момент, выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с за­жимом обмотки, имеющим наибольший положи­тельный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора. Поэтому выпрямленное на­пряжение будет изменяться по кривой, являющей­ся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 12.6) Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положи­тельных полусинусоид напряжения. В нагрузке Е„ токи, походящие через три диода, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме

Принцип работы выпрямителя - изображение 95 - изображение 95

(12.11)

а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый диод,

Принцип работы выпрямителя - изображение 96 - изображение 96

(12.12)

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, равно амплитуде линейного напряжения, дей­ствующего в системе вторичных обмоток трансфор­матора, соединенных звездой, поскольку диоды под­ключены анодами к каждой из фаз, а катодами к другой фазе через открытый диод:

Принцип работы выпрямителя - фотография 97 - изображение 97

Существенным недостатком этой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмот­ки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный магнитный поток. Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора. Трехфазную схему выпрямления с нейтральной точкой применяют толь­ко в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления пе­ременного тока изображена на (рис. 12.7). В ней со­четаются принципы мостовой схемы и схемы мно­гофазного выпрямления. В этой схеме нулевая точ­ка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.

Принцип работы выпрямителя - фото 98 - изображение 98

Рис. 12.7

Шесть диодов образуют две группы - нечетную VD1 , VD3, и VD5 и четную VD2 , VD4 и VD6 . У нечет­ной группы катоды соединены вместе и служат точ­кой вывода выпрямителя с положительным потен­циалом, а у четной группы - аноды соединены вме­сте и служат точкой вывода с отрицательным по­тенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вто­ричных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значитель­но уменьшаются. В схеме на (рис. 12.7) в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у кото­рого анод в этот момент имеет наибольший положи­тельный потенциал, а вместе с ним тот диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по аб­солютной величине отрицательный потенциал. Вып­рямленное напряжение будет изменяться по огиба­ющей с двойной частотой пульсаций (рис. 12.8).

Принцип работы выпрямителя - изображение 99 - изображение 99

Рис. 12.8

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме

Принцип работы выпрямителя - фотография 100 - изображение 100

(12.13)

Средний ток через диод Iд = I0 / 3 , причем этот ток проходит через два последовательно включен­ных диода. Обратное напряжение, действующее на каждый диод, здесь также равно амплитудному зна­чению линейного напряжения:

Принцип работы выпрямителя - фото 101 - изображение 101

(12.14)

В мощных выпрямителях в основном использу­ется мостовая трехфазная схема. Она получила широкое применение в управляемых выпрямите­лях, в которых, регулируя моменты открывания и закрывания диодов (тиристоров), можно в ши­роких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока.

Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменно­го тока позволяют получать выпрямленное, но пуль­сирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает иска­жения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивнос­ти (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I0 и переменную i= составляю­щие (рис. 12.9). Постоянная составляющая направ­ляется в нагрузку, а нежелательная переменная за­мыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Принцип работы выпрямителя - изображение 102 - изображение 102

Рис. 12.9

Физическая сущность работы в фильтре конден­сатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный парал­лельно нагрузке, заряжается при нарастании импуль­сов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС само­индукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как не­кие резервуары энергии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отда­ют, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций. Рассмотрим несколько подробнее емкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен кон­денсатор С (рис. 12.10).

Принцип работы выпрямителя - изображение 103 - изображение 103

Рис. 12.10

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD1) конденсатор зарядится (рис. 12.11, а), а при убывании выпрямленного на­пряжения полярность напряжения на диоде изме­нится на противоположную, и диод закроется, отклю­чив вторичную обмотку трансформатора от нагруз­ки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 12.11, б).

Когда входной сигнал начинает падать в отрица­тельном направлении, конденсатор разряжается че­рез нагрузку. Скорость разряда конденсатора зави­сит от постоянной времени RC, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени раз­ряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому пос­ле первой четверти периода ток через нагрузку под­держивается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того как кон­денсатор полностью разрядится, начнется следую­щий период синусоиды. На аноде диода опять по­явится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся, и выходное напряжение фактически по­высится.

Принцип работы выпрямителя - изображение 104 - изображение 104

Рис. 12.11

Чем больше емкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более мед­ленному разряду конденсатора, что повышает выход­ное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденса­тор обеспечивает нагрузку током. Если нагрузка

потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой емкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определя­ется величиной пульсаций, остающихся в постоян­ном напряжении. Величину пульсаций можно уменьшить путем использования конденсатора боль­шей емкости или путем увеличения сопротивления нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки опреде­ляется при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора определяется допусти­мой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конден­сатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжа­ется до максимального значения напряжения вто­ричной обмотки и удерживает это значение в тече­ние всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напря­жение попадает на анод диода. Фильтрующий кон­денсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдер­жать диод, будучи смещенным, в обратном направ­лении, называется импульсным обратным напря­жением диода. Импульсное обратное напряжение ди­ода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вто­ричной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного на­пряжения. Это касается как однополупериодного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя.

К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя.

Следует отметить, что пиковое значение тока, про­текающего через диод, может во много раз превы­шать ток нагрузки, что опасно для целостности дио­да. Б реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 12.12, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др. , попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформа­тор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С1 и С2 , в нагрузку не проходят.

При небольших, токах нагрузки успешно работа­ет Г-образный фильтр (рис. 12.12, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 12.12, в), что и делается в переносных радиоприемниках и маг­нитолах. Во многих случаях дроссель заменяют ре­зистором, что несколько снижает качество фильтра­ции, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 12.12, г, д). В наиболее ответственных случаях сгла­живающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 12.12, е).

Принцип работы выпрямителя - изображение 105 - изображение 105

Принцип работы выпрямителя - изображение 106 - изображение 106

А Б

Принцип работы выпрямителя - фото 107 - изображение 107

Принцип работы выпрямителя - фото 108 - изображение 108

В Г

Принцип работы выпрямителя - фото 109 - изображение 109

Принцип работы выпрямителя - фото 110 - изображение 110

Д Е

Рис. 12.12

Характеристики и принцип действия выпрямительных диодов

Принцип работы выпрямителя - фотография 111 - изображение 111

Существует немало устройств, созданных с целью преобразования электрического тока, и выпрямительные диоды – одни из них.

Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.

Принцип действия

Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.

Принцип работы выпрямителя - изображение 112 - изображение 112

ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.

Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.

Использование сборки

При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.

С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.

Принцип работы выпрямителя - фотография 113 - изображение 113

Физико-технические параметры

Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:

  • максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
  • наибольшем среднем выпрямленном токе;
  • наибольшем значении обратного напряжения.

Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:

  1. Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способностью тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
  2. Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
  3. Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.

Принцип работы выпрямителя - фотография 114 - изображение 114

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

  • значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
  • максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
  • средней силой выпрямленного тока;
  • материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

  1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
  2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Принцип работы выпрямителя - фото 115 - изображение 115

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

  • оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
  • минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
  • ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

Принцип работы выпрямителя - фотография 116 - изображение 116

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Практическое использование выпрямительного диода

В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:

  • в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
  • в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
  • в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
  • в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
  • для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.

В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.

Сварочный выпрямитель: схема, технические характеристики, устройство

Принцип работы выпрямителя - фото 117 - изображение 117

Для соединения металлических элементов могут применяться самые различные методы, среди которых отметим сварку. Сваривание металлов и сплавов проводится на протяжении последних нескольких десятилетий. Подобное неразъемное соединение можно получить при применении специального оборудования и материалов: сварочного аппарата, электродов, выпрямителя. Сварочный выпрямитель – устройство, предназначенное для формирования постоянного напряжения. Преобразовывая переменный ток в постоянный, можно обеспечить благоприятные условия для проведения сварочных работ, так как уменьшается степень разбрызгивания расплавленного металла. Рассмотрим все подробности данного аппарата подробнее.

Принцип работы выпрямителя - изображение 118 - изображение 118

Сварочный выпрямитель

Применение выпрямителей

Выпрямитель для сварочного аппарата – устройство, которое состоит из нескольких блоков для преобразования и выпрямления входящего напряжения. При работе устройство также повышает показатель силы тока, за счет чего обеспечиваются наиболее благоприятные условия. Назначение сварочного выпрямителя заключается в генерации постоянного тока с высоким значением А.

Рассматривая применение сварочного выпрямителя следует уделить внимание нижеприведенным моментам:

  1. Устройство позволяет проводить сварочные работы при применении электродов, покрытых различными веществами. За счет использования электродов с покрытием, дуга становится более устойчивой, что обеспечивает благоприятные условия для получения качественного шва.
  2. В продаже встречаются аппараты, которые могут применяться для сваривания металлов толщиной до 50 мм. Регулировка показателей тока позволяет также проводить работы с металлом толщиной стенок около 1мм. Этот момент определяет, что сварочные выпрямители существенно расширяют область применения аппаратов для сварки.
  3. Сварочное устройство может применяться для плавки кромки обрабатываемого металла или стержня применяемого электрода.
  4. Многие модели могут использоваться для работы с присадочной проволокой. Кроме этого, они практически незаменимы при применении неплавящихся электродов, к примеру, покрытие которых изготавливается из вольфрама.
  5. При применении сварочного выпрямителя можно проводить соединение элементов, которые изготавливаются из нержавеющей стали, чугуна, малоуглеродистой стали или других сплавов.
  6. Кроме сварочных работ, с применением рассматриваемого аппарата можно выполнять резку металлов. Для этого проводится существенное увеличение показателя силы тока, дуга прожигает металл.

Если сравнивать с ранее применяемыми трансформаторами, выпрямители способны существенно снизить расход электродов. Сегодня они довольно часто встраиваются в сварочные аппараты, но можно приобрести и подключаемые вариант исполнения.

Принцип работы выпрямителя - фото 119 - изображение 119

Внешний вид сварочного выпрямителя

Применяется устройство достаточно просто, подходит оно для самых различных случаев работы. К особенностям использования отнесем нижеприведенные моменты:

  1. Устройство, как правило, имеет две клеммы.
  2. Одна клемма предназначена для подключения к обрабатываемому изделию, а вторая присоединяется к держателю.
  3. В зависимости от конкретного полюса определяется полярность, а также наиболее подходящие режимы работы.

Сваривание металла происходит при образовании дуги между обрабатываемой поверхности и применяемым электродом. Процесс относительно прост, но даже при применении сварочного выпрямителя могут возникнуть некоторые трудности при работе, и только при наличии определенных знаний, навыков и опыта сварщик может получить качественный шов.

Устройство и принцип работы

Классическая конструкция представлена сочетанием нескольких устройств, которые и обеспечивают контроль показателей тока. Основными блоками можно назвать:

  1. диоды;
  2. понижающий трансформатор;
  3. охлаждающую систему, которая зачастую представлена вентилятором;
  4. приборы для измерения показателя тока;
  5. регуляторы различного типа.

Устройство сварочного выпрямителя позволяет с высокой точностью проводить регулировку показателей тока. В отличие от конструкции трансформатора оно может не только увеличивать силу тока, но и делать показатель постоянным, за счет чего и обеспечивается высокая устойчивость дуги.

Принцип работы выпрямителя - фото 120 - изображение 120

Устройство сварочного выпрямителя

Принцип работы сварочного выпрямителя имеет следующие особенности:

  1. Входящий ток изначально подается на первичную обмотку встроенного трансформатора понижающего типа.
  2. За счет электромагнитной индукции происходит процесс понижения значения напряжения и повышения силы тока на вторичной обмотке. Схема современного сварочного выпрямителя определяет максимальное значение напряжения при холостом ходу 48В.
  3. Создаваемое напряжение подается на установленные диоды. Новые модели изготавливаются при применении диодов на кремневой основе. Устанавливаются они в качестве полупроводника, который обеспечивает ход тока только в одну сторону. Именно за счет диодов обеспечивается постоянное напряжение, так как они устраняют колебание при реверсном ходе электричества.
  4. Стоит учитывать, что на момент работы диоды существенно нагреваются. Именно поэтому все модели сварочных выпрямителей имеют систему охлаждения, которая в большинстве случаев представлена вентиляторами. При активном применении устройства постоянный обдув воздухом позволяет снизить температуру применяемых полупроводников. Некоторые модели снабжаются датчиком, который фиксирует перегрев системы.
  5. Устанавливаются датчики, контролирующие напряжение. Они работают совместно с автоматом и могут отключить устройство в автоматическом режиме при высоком значении напряжения.
  6. Регулятор устанавливается для того, чтобы можно было выбирать напряжение в зависимости от толщины свариваемого металла.

Создать выпрямитель сварочного аппарата своими руками достаточно сложно, так как для этого нужно владеть определенными навыками работы с электротехникой. Промышленные варианты исполнения обладают высокой точностью работы и надежностью, что определят их высокую популярность.

При выборе устройства следует уделить внимание тому, что оно может иметь несколько различных элементов регулировки напряжения подаваемого тока.

К особенностям устанавливаемых устройств регулировки отнесем нижеприведенные моменты:

  1. В большинстве случаев регулировка ступенчатая. Она представлена секционным подключением обмотки.
  2. При ступенчатой регулировке имеет значение шаг. Для управления секционным подключением обмотки устанавливается рычаг.
  3. Большинство моделей для использования сильных токов имеют конструкцию, которая предусматривает отсекание части обмотки. За счет этого ток подается по короткой схеме.

Приведенная выше настройка достаточно грубая. Встречаются модели с тонкой настройкой, которая основана на применении метода дроссельного насыщения: устанавливается устройство между двумя кремневыми диодами и понижающим трансформатором. Дроссель – конструкция, представленная сочетанием нескольких катушек, через которые во время работы оборудования также подается ток. За счет переключения позиции регулятора изменяется и длина пути обмотки.

Наиболее высокой эффективностью характеризуется работа теристорного блока. Этот элемент включается в конструкцию сварочного выпрямителя для обеспечения наиболее точной регулировки силы тока. За счет применения теристора можно выставить самые различные характеристики тока.

Большинство моделей имеет большую рукоятку на корпусе, за счет движения которой приводится в движение винтовой вал со вторичной обмоткой трансформатора. За счет изменения ее положения также регулируется протяженность пути, который преодолевает ток. Однако подобная настройка также характеризуется низкой точностью.

Принцип работы выпрямителя - фотография 121 - изображение 121

Схема сварочного выпрямителя

Практически все сварочные выпрямители имеют блок управления в виде сочетания различных рычагов и выключателей. За счет изменения их положения проводится регулировка характеристик подаваемого тока.

Разновидности аппаратов

В продаже встречается просто огромное количество разновидностей рассматриваемого оборудования, все они имеют свои определенные достоинства и недостатки. Классификация промышленных сварочных выпрямителей проводится следующим образом:

  1. однофазный;
  2. двухфазный;
  3. трехфазный.

Выпрямитель для проведения ручной дуговой сварки трехфазного типа состоит из 6-12 диодов, которые зачастую подключаются параллельно. Двухфазные характеризуются параллельным и последовательным подключением мостов.

Принцип работы выпрямителя - фото 122 - изображение 122

Управляемый и неуправляемый выпрямители

Кроме этого, классификация может проводится по следующим критериям:

  1. Сила тока на выходе. С увеличением этого показателя существенно повышается толщина обрабатываемого металла. Если устройство выдает небольшой ток, то можно будет проводить обработку тонких элементов. Также слишком высокий показатель силы тока позволяет применять сварочный аппарат для проведения резки металла.
  2. Точность регулировки. Как ранее было отмечено, выпрямитель может использоваться для установки самых различных параметров тока. Чем выше показатель точности регулировки, тем более оптимальные условия для работы может себе обеспечить мастер.
  3. Количество выходов для подключения. Сложное сварочное оборудование может применяться для одновременного подключения нескольких держателей для электродов. Подобная модель может понадобиться в том случае, когда работу поблизости одновременно выполняют несколько сварщиков. Однако, за счет усложнения конструкции она становится больше и дороже.
  4. Эффективность охлаждения. Недорогие модели предназначены для бытового применения, так как могут эксплуатироваться на протяжении короткого промежутка времени. Это связано с тем, что конструкция не имеет эффективной системы охлаждения. Профессиональное оборудование может использоваться для сварки на протяжении длительного периода.
  5. Размеры конструкции. Как правило, сварочные работы проводятся на выезде. Доставка всей аппаратуры может быть затруднена в случае, если оно имеет большой вес и габаритные размеры. В продаже встречаются компактные модели, которые просты в транспортировке.

В целом можно сказать, что выбор сварочного выпрямителя – достаточно сложная задача. При выборе учитывается то, при каких условиях будут проводиться работы.

Большой популярностью пользуются модели трехфазного типа. Это связано с тем, что они могут применяться для работы с металлом самой различной толщины. Однопостовой выпрямитель больше всего подходить для бытового применения, так как применяется при использовании только одного держателя электродов. В продаже есть и модели, которые позволяют подключать одновременно сразу несколько электрододержателей.

Универсальные современные сварочные выпрямители выпускаются достаточно большим количеством различных производителей. Марки во многом определяют качество сборки, срок службы и стоимость оборудования.

Для бытового применения подходить инверторный выпрямитель. Подобные модели можно охарактеризовать следующим образом:

  1. За понижение напряжения отвечает трансформатор.
  2. Устанавливается выпрямляющий блок, который отвечает за подачу постоянного напряжения.
  3. Далее проводится преобразование в переменное электричество с высоким показателем частоты.

Принцип работы выпрямителя - фото 123 - изображение 123

Сварочный выпрямитель

Подобное оборудование предусматривает использование переменного тока. Однако за счет существенного увеличения частоты подаваемого тока есть возможность применять инверторный выпрямитель для получения соединительных швов высокого качества. За счет существенного упрощения конструкции инверторы имеют относительно небольшие размеры, а также просты в эксплуатации.

Плюсы и минусы оборудования

Как ранее было отмечено, при работе вместо выпрямителя может также использоваться трансформатор. Преимуществами сварочного выпрямителя назовем нижеприведенные моменты:

  1. Можно получить более стабильную дугу. Во время выполнения сварочных работ характеристики получаемой дуги во многом определяют качество шва. Рассматриваемое оборудование характеризуется тем, что обеспечивает более стабильное горение дуги. Именно поэтому в последнее время оно получило широкое распространение.
  2. Преимущества сварочного выпрямителя также заключаются в том, что после проведения работы получается ровный шов с мелким чешуйчатым рисунком. За счет этого существенно расширили область применения подобного оборудования.
  3. Низкая склонность к образованию брызг расплавленного металла существенно упрощает поставленную задачу и повышает качество получаемого результата.
  4. Высокая степень экономичности. Как ранее было отмечено, применение рассматриваемого оборудования позволяет существенно снизить скорость плавки электрода.

Кроме этого, сварочный выпрямитель в большей степени подходит для соединения цветных и легированных металлов, которые могут обладать различными эксплуатационными качествами.

Недостатки сварочных выпрямителей во многом связаны с его довольно высокой стоимостью и необходимостью в транспортировке. Стоит учитывать, что для обеспечения длительного срока службы устройства следует уделять внимание его состоянию перед каждым использованием. Обслуживание предусматривает:

  1. Проверку надежности фиксации используемых клемм.
  2. Удаление накопившейся пыли.
  3. Проверку изоляции всех токопроводящих элементов.

Что касается частых поломок, то зачастую их признаками становятся сильный гул во время работы устройства или его нагрев. При наблюдении подобных симптомов следует проверить состояние устройства, так как причинами их появления может стать:

  1. Деформация или полная остановка вентилятора охлаждающей системы. Стоит учитывать, что неправильная работа охлаждающей системы может привести к серьезным проблемам.
  2. Замыкание первичной обмотки или нарушение изоляции листов сердечника.
  3. Снижение выходного напряжение происходить из-за замыкания или обрыва во вторичной обмотке.

В заключение отметим, что современные выпрямители позволяют получать качественные швы при соединении различных металлов. Большое количество положительных качеств определило обширное распространение устройства. В продаже встречаются самые различные варианты исполнения, которые обладают исключительными эксплуатационными качествами.

Синхронный выпрямитель своими руками

Принцип работы выпрямителя - фотография 124 - изображение 124

Приветствую, Самоделкины!Сегодня мы сделаем шаг на ступень выше в электронике, а именно, соберем синхронный выпрямитель. Устройство не новое, но еще не сильно популярное.

Принцип работы выпрямителя - изображение 125 - изображение 125

Автором данной самоделки является Роман (автор YouTube канала «Open Frime TV»).

Как известно, в любом блоке питания на выходе стоит выпрямительный диод. В последнее время широко используют диоды шоттки, так как у них меньше падение напряжения и, следовательно, они меньше греются. Но нагрев все-таки есть и при больших мощностях он внушительный.Если ставить диод ultrafast, то там ситуация еще хуже, так как падение напряжения больше, и отсюда появляется одна из важнейших проблем - это радиаторы.

Принцип работы выпрямителя - изображение 126 - изображение 126

Принцип работы выпрямителя - изображение 127 - изображение 127

По-хорошему, нельзя устанавливать высокую сторону и низкую на один радиатор, так как может случиться пробой и на выход попадет высокое напряжение. Значит нужно разделять горячую и холодную сторону на разные радиаторы. Но не у всех есть нужное количество радиаторов чтобы все охладить. Да и при больших мощностях уже не обойтись без принудительного охлаждения.Умные люди начали думать над данной проблемой и нашли простой выход - использовать вместо диодов полевые транзисторы.

Принцип работы выпрямителя - изображение 128 - изображение 128

Принцип работы выпрямителя - фото 129 - изображение 129

У них сопротивление открытого канала очень маленькое и, следовательно, ток, протекающий через них, будет меньше выделять тепла. На первый взгляд все просто, но нет. Для корректной работы транзисторам необходимо правильное управление. Тут тоже поработали умные люди и создали микросхемы для управления транзисторами в синхронном выпрямителе.

Принцип работы выпрямителя - изображение 130 - изображение 130

Нам же остается просто собрать схему и разобраться, как она работает. Сама схема перед вами:

Принцип работы выпрямителя - фотография 131 - изображение 131

Как видим, деталей тут всего ничего. Микросхема выпрямителя есть только в smd корпусе.

Принцип работы выпрямителя - фотография 132 - изображение 132

Принцип работы выпрямителя - изображение 133 - изображение 133

Из этого получается, что схема управления много места не займет, а кпд вырастет в разы. Итак, попробуем разобраться, как это работает. Первое, что бросается в глаза, это то, что средняя точка будет плюсом, а боковые минусом.

Принцип работы выпрямителя - фото 134 - изображение 134

Все потому, что транзисторы включаются в обратном направлении.

Принцип работы выпрямителя - изображение 135 - изображение 135

Работает выпрямитель таким образом: допустим, во время первого импульса мы имеем такие знаки на обмотках.

Принцип работы выпрямителя - фото 136 - изображение 136

Микросхема это отслеживает и открывает нижний транзистор.

Принцип работы выпрямителя - изображение 137 - изображение 137

Ток в это время течет по вот такой цепи:

Принцип работы выпрямителя - изображение 138 - изображение 138

Далее следует второй импульс.

Принцип работы выпрямителя - фото 139 - изображение 139

Теперь открывается верхний транзистор и пропускает ток в нагрузку. Опытные электронщики сразу же вспомнят внутренний диодик в транзисторе, но если еще раз посмотреть на знаки напряжений, то становится понятно зачем транзистор включен в обратном направлении.

Принцип работы выпрямителя - фото 140 - изображение 140

В то время, когда один транзистор открыт, второй подперт высоким напряжением и диод априори не может пропустить ток.

Принцип работы выпрямителя - фото 141 - изображение 141

Но каждое действие имеет последствия, в нашем случае это проявляется в том, что к транзистору приложены две амплитуды напряжения. Как вы поняли это плохо. Подробнее об этом узнаем при реальном расчете.

Принцип работы выпрямителя - фото 142 - изображение 142

Теперь, что касается остальных элементов схемы. Стабилитрон нужен для ограничения питания микросхемы, так как оно не должно превышать 20В.

Принцип работы выпрямителя - фото 143 - изображение 143

Конденсатор сглаживает напряжение питания микросхемы.

Принцип работы выпрямителя - изображение 144 - изображение 144

Резистор, идущий на землю, можно выбирать в пределах от 25 до 150 кОм, он влияет на скорость открытие транзистора. Автор выбрал резистор на 30 кОм, этого вполне достаточно.

Принцип работы выпрямителя - фото 145 - изображение 145

Также на скорость открытия влияет затворный резистор, его номинал может быть от 10 до 30 Ом, можно и больше расширить предел, это уже на ваше усмотрение.

Принцип работы выпрямителя - фотография 146 - изображение 146

Для проверки работоспособности данной схемы пришлось нарисовать печатку. Это чисто плата синхронного выпрямителя. Скачать схему и печатку можно ЗДЕСЬ.

Принцип работы выпрямителя - изображение 147 - изображение 147

Ее можно встроить в любой полумостовой блок питания и забыть про перегрев выходной части. Как видим печатка получилась компактной. Ширина силовых дорожек небольшая, но как уже говорилось ранее, это макет.

Принцип работы выпрямителя - фото 148 - изображение 148

Когда плату вытравили, запаиваем ее. Сложности могут возникнуть только с микросхемой, но если постараться, то все получится. В итоге получаем вот такое красивое устройство:

Принцип работы выпрямителя - фотография 149 - изображение 149

Теперь давайте более детальней поговорим про расчет. Так как это у автора пробный вариант, и он не оснащен задающей частью, то для запуска воспользуемся внешним трансформатором от какого-то старого проекта. Задающая часть тут IR2153. На выходе должны получать около 24В.

Принцип работы выпрямителя - фото 150 - изображение 150

Расчеты этого блока перед вами:

Принцип работы выпрямителя - изображение 151 - изображение 151

Нас интересует такой параметр, как амплитудное значение напряжения вторичной обмотки, оно у нас 28В. И теперь умножаем это значение на 2, почему, уже говорилось выше. И вот на полученное напряжение нам нужно выбирать транзистор. Заходим в каталог транзисторов радиорынка и начинаем смотреть, что имеется в наличии.

Принцип работы выпрямителя - фотография 152 - изображение 152

И вот тут всплывают минусы синхронного выпрямителя, проявляются они в соотношении цены, напряжения транзистора и сопротивления открытого канала.

Принцип работы выпрямителя - фотография 153 - изображение 153

Как видим, чем больше напряжение, тем больше и сопротивление, а если сопротивление низкое, то цена на данный транзистор довольно большая. Но тут уже каждый будет решать нужен ему такой выпрямитель или нет. Для того, чтобы оптимально выбрать транзистор, нам нужно понимать сколько же мощности на нем рассеется. В этом нам поможет закон дедушки Ома.

Принцип работы выпрямителя - фото 154 - изображение 154

Транзистор выбираем по двойной амплитуде. Соотношение цена-сопротивление канала, выбор пал на 75nf75.

Принцип работы выпрямителя - фото 155 - изображение 155

Произведя расчет для тока в 10А, получаем выделяемую мощность в 1,1Вт. Сравним теперь синхронный выпрямитель с диодом шоттки. При тех же 10А получим 4Вт. Результат налицо.

Принцип работы выпрямителя - фото 156 - изображение 156

В общем, смысл такого выпрямителя в следующем, на низких напряжениях он в разы лучше диода, а вот с повышением напряжения уже картина становится не такой красивой.

Принцип работы выпрямителя - фотография 157 - изображение 157

Цена на компоненты большая, а кпд выше на пару процентов. Посмотрим, как работает устройство. Подключаем вторичку проводами прямо к плате и смотрим напряжение на выходе, оно примерно 24В, что соответствует ранее посчитанному.

Принцип работы выпрямителя - изображение 158 - изображение 158

Это означает, что плата работает в штатном режиме. Тест на нагрев проводить пока не целесообразно, так как задающая часть слабовата. Сейчас мы только проверяем работоспособность.

Принцип работы выпрямителя - изображение 159 - изображение 159

Теперь можем для демонстрации работы встать щупом осциллографа на затвор транзистора и посмотреть, как он открывается.

Принцип работы выпрямителя - изображение 160 - изображение 160

Принцип работы выпрямителя - фото 161 - изображение 161

Принцип работы выпрямителя - изображение 162 - изображение 162

Как видим, импульс немного завален. Это означает, что к нагреву добавятся еще коммутационные потери, но они не такие значительные.Да, и еще, во время построения данного выпрямителя можно с легкостью наступить на грабли. Проявляются они в виде неоригинальных транзисторов, у которых сопротивление открытого канала намного больше заявлено в даташите. Это сейчас очень актуальная тема.

Ну а на этом пора заканчивать. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 193)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты