Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный. Выпрямители тока

Выпрямителем электрического тока называют особое устройство, которое предназначено для получения выходного постоянного электрического тока из входного переменного тока. В большинстве выпрямителей принимают фильтры, чтобы сгладить создаваемые ими однонаправленные пульсирующие напряжения и токи.

Зачем нужен выпрямитель

Основным недостатком гальванических элементов, питающих многие электроприборы, является малый срок их службы. Эти неудобства особенно ощутимы, если нагрузке требуются токи большой силы. Для питания электронных потребителей лучше всего подходит электрический ток промышленной электросети. Но подключать устройство, предусмотренное для питания батареей, непосредственно в сеть нельзя. Необходимо преобразовать переменное напряжение сети в постоянное. Поэтому очень полезно разобраться в том, как сделать выпрямитель. Для питания аппаратуры обычно используются напряжения меньше, чем напряжения сети. Это достигается благодаря применению силового трансформатора. Затем преобразуют переменное напряжение в постоянное. Постоянное получают в два этапа:

сначала переменное изображение преобразуют в пульсирующее, то есть, изменяющееся от нулевого значения только в одну сторону. После этого фильтр преобразовывает пульсирующее напряжение в постоянное.

Виды выпрямителей

• Однополупериодный – выпрямитель, состоящий из конденсатора и одного полупроводникового диода. Его конструкция очень простая. Отличается малым коэффициентом полезного действия, поэтому используется только для питания маломощных потребителей.
• Двухполупериодный – выпрямитель, состоит из обмоток трансформатора, конденсатора и четырех диодов. Обычно его выполняют по мостовой схеме. Применяется для питания радиоаппаратуры.

Диоды выбирают по таким параметрам: величине постоянного (выпрямленного) тока на выходе выпрямителя и величине обратного напряжения. Эти параметры берутся из справочников. Выпрямленный ток не может быть меньшим, чем ток, который потребляет нагрузка. Диоды не будут нагреваться, если выпрямленный ток будет большим в 2 раза, чем ток необходимый потребителю. Обратное напряжение состоит из напряжения вторичной обмотки и напряжению на конденсаторе.

Изготовление выпрямителя

• Возьмем полулитровую стеклянную банку или стакан, пластины площадью 40х100 мм – алюминиевую и медную, резиновую трубу с диаметром 2 см. Отрежем 2 см от трубы и наденем на алюминиевую пластину. Это делается потому, что электролит во время работы сильно разъедает алюминий. Если на него надеть резину, то она защитит металл от коррозии, и выпрямитель прослужит гораздо дольше.
• Как электролит будем использовать раствор питьевой соды. Ее понадобится 5-7 грамм на 100 мл воды. За положительный полюс примем алюминий, а за отрицательный - свинец. Ток пойдет, если подключить выпрямитель свинцовой пластиной в сеть. Но идти ток будет только в одном направлении. Алюминиевая пластина будет постоянным положительным полюсом напряжения.
• Если в сеть включить алюминиевую пластину, то свинцовая пластина будет выступать отрицательным полюсом. Это будет однополупериодный выпрямитель, через который течет ток только одного полупериода. В этом случае будет течь ток положительного направления.
• Двухполупериодные выпрямители применяют, чтобы полностью использовать напряжение. Количество элементов, из которых они состоят, зависит от необходимой величины выпрямленного тока. Подключают их в обе фазы электросети.
• Используйте предохранители, когда включаете прибор в сеть. При помощи реостата можно регулировать напряжение.

Расчет выпрямителя

• Определим переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

  Uн - постоянное напряжение нагрузки, В;

  В - коэффициент, который зависит от тока нагрузки.

• Определяем максимальный ток, протекающий через диоды:

  Iд = 0,5 С Iн,

  Iд – ток, идущий через диод,

  Iн - наибольшее значение тока,

  С - коэффициент, зависящий от нагрузки.

• Определим обратное напряжение:

  Uобр = 1,5 Uн,

  Uобр - обратное напряжение,

  Uн - напряжение нагрузки.

• Выберем диоды, у которых величина выпрямленного тока и обратного напряжения выше расчетных.
• Найдем величину емкости конденсатора:

  Сф = 3200 Iн / Uн Kп,

  Сф - емкость конденсатора фильтра,

  Iн - максимальный ток нагрузки.;

  Uн - напряжение на нагрузке,

  Kп – коэффициент пульсации (10 -5 -10-2).

Сварочный выпрямитель

Сварочный выпрямитель ВД применяется в качестве источника питания при сварке любыми электродами. Его используют для исключения межтоковых перерывов при сварке, благодаря чему получается качественный сварочный шов.

• Выпрямитель универсален, может использоваться в самых тяжелых условиях работы.
• Нечувствителен к температурным колебаниям, изменению влажности, падению напряжения в сети, запыленности.
• Надежен
• Долговечен
• Имеет небольшую стоимость и способен заменять дорогие установки.

Теперь вы знаете все о том, кто хочет знать, как сделать выпрямитель в домашних условиях. Это позволит вам решить проблемы по его отсутствию самостоятельно и с наименьшей затратой средств.

Поскольку большинство радиоэлектронных устройств питаются постоянным током, а в нашей сети переменный, то самое время научиться его «выпрямлять». Для преобразования переменного напряжения или тока в постоянный служат выпрямители, о которых мы и поговорим. Самый простой выпрямитель можно выполнить всего на одном диоде:

На графиках, полученных с помощью осциллографа и представленных на рисунке, хорошо видно, что до диода напряжение было переменным, разнополярным. Диод «обрезал» отрицательные полуволны, и остались одни положительные. Таким образом, мы получили однополярное напряжение, но оно сильно пульсирует, и питать им электронику невозможно. Чтобы сгладить пульсации используют конденсаторы большой емкости:

Пока проходит положительная полуволна, конденсатор заряжается, во время провала он отдает запасенную энергию и разряжается. Теперь дело обстоит несколько лучше, но не совсем хорошо — чем мощнее нагрузка, тем глубже будут провалы и тем большую емкость нужно включать, чтобы как-то спасти положение. Поэтому такой вид выпрямителя, который называется однополупериодным , используют достаточно редко и только для выпрямления переменного тока достаточно высокой частоты и малых токов нагрузки. В противном случае размеры сглаживающих конденсаторов будут неоправданно большими.

Для улучшения формы выпрямленного напряжения достаточно добавить в схему еще три диода:

В этом выпрямителе, который называют двухполупериодным, волны перенаправляются диодами и на выходе получается тоже пульсирующее напряжение, но удвоенной частоты, а пауз между импульсами практически нет. Добавим сюда сглаживающий конденсатор и увидим, что постоянное напряжение действительно похоже на постоянное:

Преимущество такого типа выпрямителя не только в лучшей форме выпрямленного напряжения, но и в том, что в качестве диодов можно использовать приборы, рассчитанные на вдвое меньший ток, поскольку в каждый момент времени через каждый диод течет только половина тока нагрузки. Такая схема получила настолько широкое распространение, что диоды собирают в мосты прямо на заводе. Такие сборки мы называем диодными или выпрямительными мостами.

Но двухполупериодная схема может иметь и другой вид, в котором присутствует всего два диода:

Здесь «минусовым» проводом служит отвод от середины вторичной обмотки трансформатора, а положительные полуволны собираются двумя диодами на «плюсе» благодаря двум одинаковым полуобмоткам. В этой схеме диоды тоже работают с половинным током нагрузки, но оправдана она лишь тогда, когда трансформатор имеет две обмотки, каждая из которых выдает номинальное напряжение и обмотки эти можно включить последовательно.

Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.

Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диодVD включен последовательно с нагрузочным резисторомR н и вторичной обмоткой трансформатораT . Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I н в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU АБ , когда потенциал точкиа положителен по отношению к потенциалу точкиб , диод открыт и через нагрузку протекает ток.

Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точкиб . При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.

Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD 1 – VD 4 (включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

В один из полупериодов напряжения сети, когда точка а имеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD 3 открыты, а диодыVD 1 иVD4 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажима вторичной обмотки трансформатора, диодVD2 , нагрузочный резисторR н , диодVD3 и зажимб . В следующий полупериод, когда потенциал точкиа становится отрицательным по отношению к точкеб , открыты диодыVD1 иVD4, а диодыVD2 иVD3 закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб , диодVD4 , нагрузочный резисторR н , диодVD1 и точкаа вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR н имеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки R н средний выпрямленный ток / н ср и напряжениеU н ср в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.

Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.

Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения U н и токаI н нагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различныесглаживающие фильтры . Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.

Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.

По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U АБ конденсаторC заряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVD пропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU АБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVD запирается, а конденсатор начинает разряжаться на резисторR н . Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени разр =R н С . В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.

Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель .

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети - 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 - 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше "провалов" напряжения - тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов - общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема . Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop - V F ). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 - 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V F , т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения .

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор - смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U ). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение , как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора.

• " onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
• E-mail

Подробности Категория: Электротехника

Выпрямители переменного тока

Электростанции вырабатывают переменный ток. Однако 25-30% электрической энергии используется в устройствах, работающих на постоянном токе. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяют выпрямители .
Для выпрямления переменного тока раньше использовались электромагнитные преобразователи, ртутные, ионные, электронные лампы . В настоящее время в основном применяются полупроводниковые выпрямители. Они проще по конструкции, меньше по размерам, надежнее при эксплуатации, удобнее при обслуживании и имеют более высокий КПД.

Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами . Для них характерно наличие двух типов проводимости: электронной , или n -проводимости, за счет свободных электронов; дырочной , или p -проводимости, за счет валентных электронов (дырок). Введение определенных примесей позволяет получать полупроводники проводимости n - или p -типа. Если полупроводник имеет две зоны с различными типами проводимости, то на их границе образуется n - p -переход, обладающий односторонней проводимостью электрического тока.

Действительно, при подключении положительного полюса источника к зоне с проводимостью р -типа, а отрицательного - к зоне с проводимостью n -типа дырки будут отталкиваться положительным потенциалом источника тока, а электроны - отрицательным. В результате этого они движутся навстречу друг другу, частично рекомбинируя в зоне перехода, а затем притягиваются к электродам источника питания, обеспечивая прохождение электрического тока через диод (рис. справа, а ). Если же последний подключить иначе (рис. справа, б ), то зона перехода обедняется носителями зарядов, а его сопротивление резко возрастает и ток через диод не проходит.

Одностороннюю проводимость диода демонстрируют с помощью установки, схематически изображенной на рис. слева.

Такая конструкция диода имеет специфическую зависимость тока от напряжения и имеет вид «клюшки ». Для резистора вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии.

Для наблюдения
осциллограммы вольт-амперной характеристики диода, выражающей зависимость величины проходящего через него тока от приложенного напряжения, собирают установку, изображенную на рис. справа, а . Используя вольт-амперную характеристику диода, можно объяснить его свойство выпрямлять переменный ток, нарисовав графики тока и напряжения (рис. справа, б ). Если включить генератор развертки осциллографа в установке, то можно наблюдать осциллограмму выпрямленного тока.

Для проводника развернутая диаграмма тока имеет вид синусоиды.

С помощью выпрямителей получают пульсирующий ток , направление которого не меняется, а меняется величина. Для того, чтобы сгладить пульсацию тока, последовательно с диодом включают дроссель (катушка с сердечником), а параллельно - конденсаторы большой емкости (рис. слева). Дроссель и конденсаторы представляют собой фильтр , который сглаживает пульсацию тока. На выходе выпрямителя получают постоянный ток по величине и направлению.

Для выпрямления переменного тока используют три вида выпрямителей: однополупериодный (рис. справа, а ), двухполупериодный со средней точкой (рис. справа, б ) и двухполупериодный по мостовой схеме (рис. справа, в ).
Полупроводниковые диоды разнообразны по конструкции и назначению. Для сильных токов применяют плоскостные диоды, а для слабых токов - точечные диоды.