Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Содержание:

Генератор переменного тока и постоянного тока

Электроэнергия, которую мы используем, бывает двух видов: одна переменная, а другая прямая (означает отсутствие изменений с течением времени). Электроснабжение наших домов имеет переменный ток и напряжение, а источник питания автомобиля — неизменные токи и напряжения. Обе формы имеют свое собственное применение, и метод их создания одинаков, а именно электромагнитная индукция. Устройства, используемые для генерации энергии, известны как генераторы, а генераторы постоянного и переменного тока отличаются друг от друга не по принципу действия, а по механизму, который они используют для передачи генерируемого тока во внешние схемы.

Подробнее о генераторах переменного тока

Генераторы имеют два компонента обмотки: один — это якорь, который генерирует электричество за счет электромагнитной индукции, а другой — компонент поля, который создает статическое магнитное поле. Когда якорь движется относительно поля, возникает ток из-за изменения магнитного потока вокруг него. Ток известен как индуцированный ток, а напряжение, которое его возбуждает, известно как электродвижущая сила. Повторяющееся относительное движение, необходимое для этого процесса, достигается вращением одного компонента относительно другого. Вращающаяся часть называется ротором, а неподвижная часть — статором. Либо якорь, либо поле могут работать как ротор, но в основном компонент поля используется при выработке энергии высокого напряжения, а другой компонент становится статором.

Поток изменяется в зависимости от относительного положения ротора и статора, при этом магнитный поток, приложенный к якорю, постепенно изменяется и меняет полярность; этот процесс повторяется из-за вращения. Следовательно, выходной ток также меняет полярность с отрицательной на положительную и снова на отрицательную, в результате чего форма волны является синусоидальной. Из-за этого повторяющегося изменения полярности выхода генерируемый ток называется переменным током.

Генераторы переменного тока широко используются для выработки электроэнергии, и они преобразуют механическую энергию, поставляемую каким-либо источником, в электрическую.

Подробнее о генераторах постоянного тока

Небольшое изменение конфигурации контактных выводов якоря позволяет получить выход без изменения полярности. Такой генератор известен как генератор постоянного тока. Коммутатор — это дополнительный компонент, добавляемый к контактам якоря.

Выходное напряжение генератора становится синусоидальным из-за повторяющегося изменения полярностей поля относительно якоря. Коммутатор позволяет заменять контактные выводы якоря на внешнюю цепь. Щетки прикреплены к контактным выводам якоря, а контактные кольца используются для поддержания электрического соединения между якорем и внешней цепью. Когда полярность тока якоря изменяется, этому противодействуют путем изменения контакта с другим контактным кольцом, что позволяет току течь в том же направлении.

Следовательно, ток через внешнюю цепь — это ток, полярность которого не меняется со временем, отсюда и название постоянного тока. Однако ток меняется во времени и отображается в виде импульсов. Чтобы противостоять этим эффектам пульсации, необходимо регулировать напряжение и ток.

В чем разница между генераторами переменного и постоянного тока?

• Оба типа генераторов работают по одному и тому же физическому принципу, но способ подключения генерирующего ток компонента к внешней цепи изменяет способ прохождения тока по цепи.

• У генераторов переменного тока нет коммутаторов, но у генераторов постоянного тока они есть, чтобы противодействовать эффекту изменения полярности.

• Генераторы переменного тока используются для генерации очень высоких напряжений, а генераторы постоянного тока используются для генерации относительно более низких напряжений.

Назначение и практическое использование

Область использования моста, набранного из диодов, довольно широка. Это могут быть блоки питания и узлы управления. Он стоит во всех устройствах, питающихся от промышленной сети 220 вольт. Например, телевизоры, приёмники, зарядки, посудомоечные машины, светодиодные лампы.

Не обходятся без него и автомобили. После запуска двигателя начинает работать генератор, вырабатывающий переменный ток. Так как бортовая сеть вся питается от постоянного напряжения, ставится выпрямительный мост, через который происходит подача выпрямленного напряжения. Этим же постоянным сигналом происходит и подзарядка аккумуляторной батареи.

Выпрямительное устройство используется для работы сварочного аппарата. Правда, для него применяются мощные устройства, способные выдерживать ток более 200 ампер. Использование в устройствах диодной сборки даёт ряд преимуществ по сравнению с простым диодом. Такое выпрямление позволяет:

• увеличить частоту пульсаций, которую затем просто сгладить, используя электролитический конденсатор;
• при совместной работе с трансформатором избавиться от тока подмагничивания, что даёт возможность эффективнее использовать габаритную мощность преобразователя;
• пропустить большую мощность с меньшим нагревом, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.

Но также стоит отметить и недостаток, из-за которого в некоторых случаях мост не используют. Прежде всего, это двойное падение напряжения, что особенно чувствительно в низковольтных схемах. А также при перегорании части диодов устройство начинает работать в однополупериодном режиме, из-за чего в схему проникают паразитные гармоники, способные вывести из строя чувствительные радиоэлементы.

Блок питания

Ни один современный блок питания не обходится без выпрямительного устройства. Качественные источники изготавливаются с использованием мостовых выпрямителей. Классическая схема состоит всего из трёх частей:

1. Понижающий трансформатор.
2. Выпрямительный мост.
3. Фильтр.

Синусоидальный сигнал с амплитудой 220 вольт подаётся на первичную обмотку трансформатора. Из-за явления электромагнитной индукции во вторичной его обмотке наводится электродвижущая сила, начинает течь ток. В зависимости от вида трансформатора величина напряжения за счёт коэффициента трансформации снижается на определённое значение.

Между выводами вторичной обмотки возникает переменный сигнал с пониженной амплитудой. В соответствии со схемой подключения диодного моста это напряжение подаётся на его вход. Проходя через диодную сборку, переменный сигнал преобразуется в пульсирующий.

Такая форма часто считается неприемлемой, например, для звукотехнической аппаратуры или источников освещения. Поэтому для сглаживания используется конденсатор, подключённый параллельно выходу выпрямителя.

Трёхфазный выпрямитель

На производствах и в местах, где используется трёхфазная сеть, применяют трёхфазный выпрямитель. Состоит он из шести диодов, по одной паре на каждую фазу. Использование такого рода устройства позволяет получить большее значение тока с малой пульсацией. А это, в свою очередь, снижает требования к выходному фильтру.

Наиболее популярными вариантами включения трёхфазных выпрямителей являются схемы Миткевича и Ларионова. При этом одновременно могут использоваться не только шесть диодов, но и 12 или даже 24. Трёхфазные мосты используются в тепловозах, электротранспорте, на буровых вышках, в промышленных установках очистки газов и воды.

двухполупериодной мостовой схеме выпрямления

Данная схема, называемая мостовой, как и предыдущая (со средней точкой), позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя (рис. 2.5, а).

В течение первого полупериода, когда потенциал точки а

положителен, а точкиб — отрицателен, диодыVD 1,VD 4 будут открыты, а диодыVD 2,VD 3 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток на схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками.

Во втором полупериоде, когда потенциал точки б

становится положительным, а точкиа — отрицательным, открываются диодыVD 2,VD 3, а диодыVD 1,VD 4 оказываются закрытыми и находятся под обратным напряжением. В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном пунктирными стрелками. Как видно из рис. 2.5, а, направления токовi¢d иi²d , протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадают и суммируясь, дают общий токid =i¢d +i²d , т.е. в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средней точкой (двухфазной). На рис. 2.5, г показаны графики выпрямленного напряженияud и токаid. В силу принятых допущений можно считать, что форма выпрямленного напряженияud повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатораu 2 (рис. 2.5, б). Как видно из схемы, токиi’ 2 иi» 2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий токi 2 не содержит постоянной составляющей (рис. 2.5, д), поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным.

Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение обеих полуволн питающего напряжения u

2,то для получения одинаковых выпрямленных напряженийud в данной схеме (как и в двухфазной) достаточно, чтобы напряжениеu2 мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обуславливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшееU обр.мах =U 2m. Однако во вторичной обмотке протекает токi 2, действующее значение которогоI 2 больше, чем в полуобмотках двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud

определяется выражением

(2.28)

Рисунок 2.5 — Однофазный мостовой выпрямитель:

а- электрическая схема; б-ж – диаграммы напряжений и токов

Все соотношения, показатели качества выпрямления рассматриваемой схемы выпрямления и её энергетические параметры приведены в таблице 2.1.

Сравнивая мостовую схему с двухфазной схемой с выводом нулевой точки, можно отметить следующее: значения коэффициентов пульсаций и частоты пульсации этих схем одинаковые.

Достоинства мостовой схемы

заключаются в следующем:

1) размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования доменной структуры магнитопровода (габаритная мощность трансформатора меньше на 20%);

2) меньше в два раза число витков вторичной обмотки трансформатора и проще схема ее намотки (поскольку не требуется делать вывод средней точки);

3) возможность работы схемы без трансформатора и, если значение выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети, а цепь нагрузки не исключает электрической связи с сетью переменного тока, схема выпрямления (диоды) может включаться непосредственно в сеть, т.е. точки а

иб схемы (рис. 2.5 ,а) присоединяются к сети переменного тока.

Недостатками схемы являются:

1) увеличенная стоимость, определяемая наличием в ней четырех диодов;

2) повышенные потери напряжения и мощности за счёт более высокого внутреннего сопротивления (одновременно работают два диода схемы).

Однофазные мостовые выпрямители находят наиболее широкое применение в ИВЭ РЭС по сравнению со схемой со средней точкой.

Текст лекции составил

доцент Н. Руденко

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:

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, Z_н=R_н. 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 R_н. 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:

И выпрямленное напряжение U_d 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 R_н, то и ток в нем i_d, 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:

Силовые диоды

> Теория > Силовые диоды

Силовые диоды (варикапы) являются полупроводниковыми приборами, функционирующими за счет использования одного стандартного p-n-перехода. Данные элементы бывают различных видов, в зависимости от того, в какой сфере они используются. Также они различаются своими характеристиками.

Такие диоды еще называются выпрямительными, а их функция – преобразовывать переменный ток в однополярный. С этой целью варикап включают последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки. Ниже рассмотрим, что собой представляет данный прибор, и каковы его особенности.

Что это такое

Как классифицируются

Учитывая максимальный уровень прямого тока, диоды выпрямительного типа бывают:

• маломощные – актуальны для выпрямления прямого тока до 300 mA;
• средней мощности – 300 mA-10 A;
• выпрямительные диоды большой мощности – больше 10 А.

При их изготовлении используется кремний или германий, однако, наиболее распространены кремниевые элементы, обладающие лучшими физическими свойствами. Их обратные токи в разы меньше, если сравнивать с германиевыми, при этом напряжение то же. Благодаря этой характеристике, в полупроводниках можно добиться высокой величины допустимого обратного напряжения – до 1500 В. Что касается германиевых диодов, здесь данный показатель варьируется от 100 до 400 В.

Также следует обратить внимание на сохранение функциональности при температурных нагрузках:

• Кремниевые – сохраняют свои свойства при температуре от -60 до +150 градусов Цельсия;
• Германиевые – от -60 до +85 градусов.

Обуславливается это тем, что когда уровень нагрева превышает +85 градусов, образуются электронно-дырочные пары, увеличивающие обратный ток, из-за чего работа диода становится менее эффективной.

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые кристаллы, имеющие вид пластины. В их теле находятся две области с разной проводимостью. Именно по этой причине данные приборы носят название плоскостных. Процесс их производства выглядит следующим образом: сверху кристалла с n-проводимостью расплавляют алюминий, индий и бор, а на p-типе –фосфор.

Под влиянием высокой температуры элементы плотно сплавляются друг с другом. Также следует заметить, что атомы данных материалов диффундируют в сам кристалл, из-за чего в нем появляется проводимость электронного или дырочного типа. Как результат, создается полупроводниковое устройство с двумя разными областями и отличающейся электропроводностью.

Выделяют следующие виды силовых диодов:

• Импульсные;
• Обращенные;
• Диоды Шоттки.

Прибор Шоттки

Импульсными – оборудуются, как правило, схемы невысокой мощности, к которым напряжение подводится импульсно. К ним предъявляется одно требование – из одного состояния в другое они должны переходить за короткий промежуток времени. Импульсные диоды имеют следующие особенности:

• Время восстановления – время, за которое переключается напряжение на варикапе с прямого на обратное, и момент, когда ток уменьшается до определенного значения;
• Время установления – интервал, когда прямой ток начинает протекать через прибор до определенной величины до момента установления выбранного напряжения;
• Максимальный ток восстановления – обратный ток, прошедший через диод после переключения.

Отличительная черта обращенных диодов в том, что они в p-n-областях характеризуются большой концентрацией примесей. Обратное включение характеризуется малым сопротивлением, прямое – большим. Исходя из этого, они актуальны там, где требуется выпрямление малых сигналов, амплитуда которых не превышает нескольких десятков вольт.

Преимущество диодов Шоттки сводится к переходу металл-полупроводник. Производятся с использованием низкоомных n-кремниевых подложек и высокоомного эпитаксиального слоя (тонкий слой) аналогичного полупроводника.

Сверху описанного слоя наносится металлический электрод, который отвечает за выпрямление, но он не способен инжектировать неосновные носители в базовую область.

По этой причине в данных приборах не протекают медленные процессы – в них не накапливаются и не рассасываются неосновные носители в базе. Исходя из этого, диоды Шоттки имеют невысокую инерционность.

Принцип работы выпрямительного диода

Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.

Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами – анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод – с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод – минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток. Если же подачу тока выполнить наоборот – к аноду подать минус, а к катоду – плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход переменного напряжения, через диод будет проходить только одна полуволна.

Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U + R_Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U и R_Д являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.

Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.

Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам – подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.

Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.

Принцип работы выпрямителя

Выпрямитель напряжения

Для ясного понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока сначала придется учесть, что для выпрямления переменного напряжения применяют полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительной особенностью является возможность проводить ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, подаваемое на них переменное напряжение на выходе будет иметь вид положительных пульсаций со срезанными нижними половинками полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет протекать ток, являющийся основой для формирования постоянного питания. Для его получения необходимы дополнительные электрические элементы.

Устройство выпрямительного диода

Любой выпрямитель тока имеет в своем составе следующие основные узлы:

• Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
• набор из диодов (мостик);
• сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
• стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.

Известно множество вариантов электронных выпрямителей, отличающихся числом и способом подсоединения диодов, а также своими рабочими параметрами. Особый интерес представляют различные подходы к включению в схему диодных элементов. Стабилизирующий каскад выпрямительного устройства собирается на транзисторных ключах, называемых электронными реле.

Диодный мост

Двухполупериодная схема выпрямления, называемая диодным мостом, для работы задействует четыре вентиля, которые формируют замкнутую цепь. С одной части подключается генератор тока, с другой – резистор.

При подключении обмотки конденсатора, вентили работают попарно, сглаживая положительную и отрицательную полуволну. На выходе остается только плюс, при этом показатель пульсаций равняется 0.48.

Главными достоинствами схемы диодного моста являются простота и высокий коэффициент полезного действия. К минусам относят снижение напряжения на вентилях, что сказывается на эффективности работы систем с низким вольтажом.