Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про выпрямитель электрического тока, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое выпрямитель электрического тока, выпрямитель, выпрямители , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае — в постоянный выходной электрический ток.
Большинство выпрямителей создает не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.
Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).
выпрямители классифицируют по следующим признакам:
Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов; такая схема ныне применяется редко, так как более металлоемка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора).
При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствие нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже (но не ниже величины средневыпрямленного[уточнить] напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от емкости сглаживающего конденсатора.
Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а емкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.
Следует отметить, что в выпрямителях с сглаживающим конденсатором диоды открываются не на весь полупериод напряжения, а на короткие промежутки времени, когда мгновенное значение переменного напряжения 
превышает постоянное напряжение на фильтрующем конденсаторе (т. е. в моменты вблизи максимумов синусоиды). Поэтому протекающий через диоды (и обмотку трансформатора) ток представляет собой короткие мощные импульсы сложной формы, амплитуда которых значительно превышает средний ток, потребляемый нагрузкой выпрямителя. Этот факт следует учитывать при расчете трансформатора (вариант расчета для работы не на активную нагрузку, а на выпрямитель с емкостным фильтром), и принимать меры для подавления возникающих импульсных помех.
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.
Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, все падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю. Среднее значение переменного напряжения по отношению к подведенному действующему составит:
. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом. Важно отметить, что среднеквадратичное (устар. эффективное, действующее) значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя будет в 
меньше подведенного действующего, а потребляемая нагрузкой мощность в 2 раза меньше (для синусоидальной формы сигнала).
Недостатки :
Преимущества:
На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура — Делона — Гренашера».
Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединенных дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой». [11]
На четырех диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретен немецким физиком Лео Гретцем. Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна 
то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.
Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно 
.
Частота пульсаций равна 
, где 
— частота сети.
Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах — 
Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Во время одного полупериода ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль. Применялся, когда медь была дешевле диодов. Недостатком схемы является более сложная и менее рациональная (по меди и стали) конструкция трансформатора[12]. В современных условиях ее применение оправдано, когда амплитуда выпрямляемого напряжения сопоставима с падением напряжения на переходе твердотельного диода (т. е. выпрямители на напряжение порядка нескольких вольт), поскольку обладает в этих условиях значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: 
Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно 
, то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).
Ток в нагрузке равен
Мощность в нагрузке равна
Частота пульсаций равна , где — частота сети.
Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом.
На двух параллельных полных мостах.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: 
то есть в раз больше, чем в однофазном полномостовом.
В режиме холостого хода и близких к нему ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды моста с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно 
При увеличении нагрузки (уменьшении 
) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых оба моста работают параллельно на общую нагрузку, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно 
В режиме короткого замыкания оба моста работают параллельно на нагрузку на всем периоде, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
На двух последовательных полных мостах.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: 
то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом.
Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно 
иногда в радиоприемной аппаратуре или в звуковых каскадах для блоков питания используют т.н. шунтирующие конденсатоы на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя
Можно запитать, но может появиться мультипликативная помеха. В приемнике фон переменного тока будет прослушиваться, но этот фон возникает не из за плохого питания, а по другой причине. Это мультипликативная помеха через блок питания.
Первое, что необходимо, это зашунтировать каждый диод в мосте конденсатором порядка 1000 пф
В зависимости от характера воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные (неаддитивные) помехи. Аддитивная помеха проявляет себя независимо от сигнала. Действия сигнала и аддитивной помехи складываются. Мультипликативная помеха возникает только при наличии сигнала. Ее действие проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала. При мультипликативных помехи., в отличие от аддитивных, увеличение амплитуды принимаемого сигнала не улучшает качества его воспроизведения. Пример аддитивной помехи — собственный шум радиоприемника, мультипликативной — эффект замираний.
Обычно конденсаторы параллельно диодам моста ставят для снижения помех, вызванных переключением самих диодов при малых токах нагрузки, когда диоды открываются только на самой верхушке полупериода и заряжают емкость фильтра короткими импульсами большого тока.
В радиопередающей аппаратуре где часто применяются высоковольтные сборки из выпрямительных диодов к примеру как на рисунке
Каждый диод зашунтирован резистором для равномерного распределения обратного напряжения. Шунтирующие конденсаторы 0,01 мкФ необходимы для устранения так называемого "белого шума", который может сопровождать работу на передачу.
Многие из них считают, что цель конденсатора параллельно pn переходу - устранить резкие колебания напряжения, которые в силу инерции перехода вызывают токи, которые зря греют кристалл, и/или могут его повредить. По подобным мотивам последовательно с диодом ставят дроссель малой емкости (ферритовая бусинка или трубка на выводе диода). А вот причиной импульсных напряжений на переходе могут быть как помехи из сети, так и крутые фронты напряжения, поступающего со вторичной обмотки ШИМ схем. В старых схемах сетевых линейных БП для РЭА ставили типично 10-20 нФ параллельно диодам мостика.
1. Шунтирование диода резистором - параллельно. Смысл: предотвращение высокого обратного тока в случае включения нескольких диодов последовательно.
При выпрямлении высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно, чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.
Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно, между диодами, независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование резисторами. Сопротивления RШ резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Но вместе с тем RШ не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т.е. чтобы не ухудшилось выпрямление.
Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного.
Уравнительные резисторы RУ подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах.
Рисунок 2. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Схема параллельного включения диодных мостов, для больших токов сварочного аппарата.
Таким образом, если последовательное включение является вполне оправданным для повышения максимального обратного напряжения, то параллельное соединение диодов не является эффективным способом увеличения прямого тока из-за наличия дешевых мощных диодов.
Наиболее распространены трехфазные выпрямители по схеме Миткевича В. Ф. (на трех диодах, предложена им в 1901 г.) и по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах, предложена в 1923 г.). Выпрямитель по схеме Миткевича является четвертьмостовым параллельным, по схеме Ларионова — полумостовым параллельным
|
|
|
(«Частично трехполупериодный со средней точкой»). Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: 
На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды в ветвях с меньшей на данном отрезке периода ЭДС и относительное эквивалентное активное сопротивление равно сопротивлению одной ветви 
При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно и относительное эквивалентное активное сопротивление на этих отрезках равно 
В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Частота пульсаций равна 
, где — частота сети.
В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.
В выпрямителе «треугольник-Ларионов» омические потери в медной обмотке трансформатора больше, чем в выпрямителе по схеме «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».
Кроме этого, выпрямители Ларионова А. Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.
В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» (англ. full wave), на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.
Площадь под интегральной кривой равна: 
Средняя ЭДС равна: 
, то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.
В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (
). Малый период равен 60° (
), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (
), которые зеркальносимметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.
На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода на анод диодов подано отрицательное относительно катода напряжение, что закрывает их с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.
В начальный момент (
) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 
, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,86) и одинаковыми сопротивлениями по 
каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 
. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,86, растет до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растет от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема является параллельным включением двух ветвей, в одной из которых большая ЭДС и ее сопротивление равно , в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и ее сопротивление равно 
, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно
Частота пульсаций равна 
, где — частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна:
Относительная амплитуда пульсаций равна 
.
Выпрямитель звезда-Ларионов (шестипульсный) применяется в генераторах электроснабжения бортовой сети почти на всех средствах транспорта (автотракторных, водных, подводных, воздушных и др.). В электроприводе тепловозов и дизель-электроходов почти вся мощность проходит через выпрямитель звезда-Ларионов.
Площадь под интегральной кривой равна:
.
Средняя ЭДС равна: 
, то есть в 
раз больше, чем в схемах «треугольник-Ларионов» и"три параллельных полных моста" и вдвое больше, чем в схеме Миткевича.
В этом выпрямителе есть большой период равный 360° и малый период, равный 60°. В большом периоде помещаются 6 малых периодов. Малый период в 60° состоит из двух зеркальносимметричных частей по 30°, поэтому для описания работы этой схемы достаточно разобрать ее работу на одной части в 30° малого периода.
В начале малого периода (
) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, в двух других — по 
. Эти две ветви включены последовательно. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно 
Далее, одна из ЭДС. увеличивается от 0,86 до 1,0, другая уменьшается от 0,86 до 0,5, а третья растет от 0,0 до 0,5.
Эквивалентная схема при этом представляет собой две последовательно включенные ветви, в одной из которых одна ЭДС и ее сопротивление равно сопротивлению одной обмотки 3*r, в другой две параллельно включенные ЭДС с сопротивлением 
каждая, эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей равно 
. Эквивалентное активное внутреннее сопротивление всей цепи равно 
. В режимах близких к холостому ходу (при малых нагрузках) в параллельных ветвях э. д. с. в ветви с большей э. д. с. обратносмещает (закрывает) диод в ветви с меньшей э. д. с., при этом изменяется эквивалентная схема. При увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на нагрузку параллельно. В режиме короткого замыкания отрезки параллельной работы увеличиваются до длины всего периода, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Частота пульсаций равна , где — частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна 
.
Относительная амплитуда пульсаций равна 
.
В литературе иногда называют «шестифазный» (см. Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom рис. Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator) нем. .
Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.
Площадь под интегральной кривой равна:
.
Средняя ЭДС равна: 
, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».
Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.
Менее известны полномостовые трехфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А. Н.
По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А. Н., а выпрямитель Ларионова А. Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».
Площадь под кривой под подынтегральным выражением равна:
Средняя ЭДС равна:
то есть, такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».
В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно сопротивлению одного моста При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов 
При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трех параллельных мостов В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Выпрямитель «три параллельных полных моста» на холостом ходу имеет такую же среднюю ЭДС, как в выпрямителе «треугольник-Ларионов» и такие же сопротивления обмоток, но, так как у него схема с независимыми от соседних фаз диодами, то моменты переключения диодов отличаются от моментов переключения диодов в схеме «треугольник-Ларионов». Нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.
Частота пульсаций равна , где — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна 
.
Относительная амплитуда пульсаций равна 
.
Площадь под интегральной кривой равна: 
Средняя ЭДС равна: 
, то есть больше, чем в схеме «звезда-Ларионов».
Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трех последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть 
.
Ток в нагрузке равен
Мощность в нагрузке равна
Частота пульсаций равна , где — частота сети.
Этот выпрямитель имеет наибольшую среднюю ЭДС и может найти применение в высоковольтных источниках напряжения (в установках электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр) и др.).
Как и трехфазные, многофазные выпрямители могут быть полномостовыми, полумостовыми и четвертьмостовыми, параллельными раздельными, параллельными объединенными звездами, параллельными объединенными кольцами, последовательными, параллельно-последовательными.
Представляет собой параллельное (или иногда последовательное) включение двух выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз входных трехфазных токов. При этом вдвое увеличивается число выпрямленных полупериодов по сравнению с обычным выпрямителем Ларионова, из-за чего уменьшается относительная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения и вдвое увеличивается частота пульсаций выпрямленного напряжения, что также облегчает сглаживание выпрямленного напряжения. Практически такая схема довольно популярна, применяется как в мощных выпрямителях тяговых подстанций электрического транспорта, где важно обеспечить питание коллекторных тяговых электродвигателей с минимальными пульсациями, так и в выпрямительных устройствах летательных аппаратов, где важна электромагнитная совместимость[14][15].
Выпрямители с умножением напряжения применяются в тех случаях, когда по каким-то причинам входное переменное напряжение должно быть ниже, чем выходное постоянное. К примеру, в отечественных телевизорах, начиная с некоторых моделей от последних серий УЛПЦТ и вплоть до 4УСЦТ применялся умножитель высокого напряжения в цепи анода кинескопа.
Предложен Виллардом в 1901 году[16]. Состоит из конденсатора, включенного последовательно с обмоткой, и диода, включенного параллельно нагрузке. Во время отрицательного полупериода ток течет по цепи: «источник переменного тока — конденсатор — диод», конденсатор заряжается. Во время положительного полупериода заряженный конденсатор включается последовательно с трансформатором, напряжения на них складываются.
Особенность данного выпрямителя в том, что в качестве сглаживающего фильтра обязательно должен использоваться дроссель, так как конденсатор во время отрицательного полупериода будет разряжаться.
Предложен Грейнахером в 1913 году (опубликован в 1914[17]). Этот выпрямитель содержит 2 диода. Принцип действия тот же, что и у выпрямителя Вилларда, но в качестве сглаживающего фильтра можно использовать конденсатор. Такая схема часто используется в качестве амплитудного детектора в радиоприемниках.
Мостовой удвоитель напряжения напоминает мост Гретца, но в отличие от него в одном из плеч моста вместо диодов установлены конденсаторы. За счет этого во время каждой полуволны во входную цепь подключается то один, то другой конденсатор, а напряжение на выходе выпрямителя складывается из напряжений на двух конденсаторах.
Умножитель Кокрофта — Уолтона позволяет увеличивать выходное напряжение в несколько раз. Применяется в схемах, где необходимо получать очень высокое напряжение.
Существуют недостатки умножителей напряжения перед обычными выпрямителями:
Эти особенности определили сферу применения умножителей напряжения — чаще всего в устройствах небольшой мощности, нетребовательных к качеству питания.
Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (то есть без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (то есть полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).
Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.
Сюда относятся выпрямительные установки для:
В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.
Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.
Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолетов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, примененного для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание постоянным током.
Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолетах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения, и имеют требуемую тяговую характеристику (большой крутящий момент при низкой частоте вращения ротора). Это позволяет отказаться от сложных, тяжелых и ненадежных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.
Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях бортовая сеть постоянного тока получает питание от полупроводникового выпрямителя, встроенного в генератор переменного тока.
В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (
) ее полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой. В ряде случаев, с использованием специальных сварочных электродов, электрическая дуговая сварка переменным током вообще невозможна.
Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.
В составе ректенн:
Баллистический выпрямитель, описанный в статье Room-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. Song , может найти применение для детектирования очень высокочастотных сигналов (до 50 ГГц).
Примерно до 1905 года, когда были разработаны ламповые выпрямители, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию. В механических выпрямителях использовалась некоторая форма вращения или резонансной вибрации, приводимой в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.
Эти механические выпрямители были шумными и требовали больших затрат на обслуживание. Подвижные части имели трение, что требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разъедали контакты. Они также не могли работать с частотами переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.
Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в соответствии с частотой переменного тока и периодически меняет местами подключения к нагрузке в момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Эти контакты не должны переключить большой ток, но они должны быть в состоянии нести большой ток для питания постоянного тока тепловоза тяговых двигателей .
Они состояли из резонансного язычка , вибрирующего под действием переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока , с контактами, которые меняли направление тока на отрицательных полупериодах. Они использовались в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства для аккумуляторов , для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое использование было в источниках питания от батарей для портативных радиоприемников на электронных лампах, чтобы обеспечить высокое постоянное напряжение для ламп. Они работали как механическая версия современных твердотельных импульсных инверторов., с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного прерывания постоянного тока батареи для создания пульсирующего переменного тока для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе выпрямляет высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного.
Набор мотор-генератор , или подобный роторный преобразователь , не является строго выпрямителя , как это фактически не исправить тока, а генерирует постоянный ток от источника переменного тока. В «наборе MG» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока . Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своих обмотках якоря , которые коммутатор на валу якоря преобразует в выход постоянного тока; или униполярный генераторпроизводит постоянный ток без коммутатора. Наборы MG полезны для производства постоянного тока для тяговых двигателей железных дорог, промышленных двигателей и других сильноточных приложений, и были распространены во многих источниках постоянного тока большой мощности (например, в проекторах угольно-дуговых ламп для уличных кинотеатров) до того, как стали применяться мощные полупроводники широко доступный.
Электролитический выпрямитель [12] было устройство , с начала двадцатого века , которые больше не используются. Самодельная версия проиллюстрирована в книге «Мальчик-механик» 1913 года [13], но она подходит для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током . Более сложное устройство такого типа было запатентовано GW Carpenter в 1928 году (патент США 1671970). [14]
Когда два разных металла находятся во взвешенном состоянии в растворе электролита, постоянный ток, протекающий в одном направлении через раствор, вызывает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата аммония.
Действие выпрямления происходит из-за тонкого покрытия гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, которое образуется при первом приложении сильного тока к ячейке для создания покрытия. Процесс ректификации чувствителен к температуре и для достижения максимальной эффективности не должен работать при температуре выше 86 ° F (30 ° C). Также существует пробивное напряжение в местах проникновения покрытия и короткого замыкания ячейки. Электрохимические методы часто более хрупки, чем механические, и могут быть чувствительны к вариациям в использовании, которые могут резко изменить или полностью нарушить процессы ректификации.
Подобные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху, подвешивая множество алюминиевых конусов в резервуаре с раствором триаммоний-ортофосфата. В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды, а на переменном токе не было поляризации и, следовательно, выпрямителя, но химический состав был аналогичным. [15]
Современный электролитический конденсатор , важный компонент большинства схем выпрямителя, также был разработан на основе электролитического выпрямителя.
Развитие ламповой технологии в начале 20 века привело к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные, неэффективные механические выпрямители.
Выпрямитель, используемый в системах электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке в период с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговый выпрямитель или ртутно-дуговый клапан . Устройство заключено в стеклянный сосуд с луковицей или большую металлическую ванну. Один электрод, катод , погружен в ванну с жидкой ртутью на дне сосуда и один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами., подвешены над бассейном. Для зажигания и поддержания дуги может быть несколько вспомогательных электродов. Когда между катодной ванной и подвешенными анодами возникает электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог выпрямления пламенем , который использует те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).
Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть сконструированы для обработки от одной до шести фаз переменного тока. Ртутно-дуговые выпрямители были заменены кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями и мощными тиристорными схемами в середине 1970-х годов. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в проекте HVDC Manitoba Hydro Nelson River Bipole с суммарной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ. [16] [17]
General Electric , выпрямитель Tungar был паров ртути (ex.:5B24) или аргон (ex.:328) заполненного электронного газа трубки устройство с катодом с вольфрамовой нитью и кнопка углерода анода. Он работал аналогично термоэмиссионному диоду на вакуумной трубке, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее падение прямого напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных приложений с 1920-х годов до тех пор, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители , а затем и полупроводниковые диоды. Они были рассчитаны на несколько сотен вольт и несколько ампер и по некоторым размерам сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.
0Z4 был газонаполненные трубки выпрямителя обычно используется в ламповых автомобильных радиоприемников в 1940 - х и 1950 - х годов. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но она была уникальна тем, что не имела нити накала (отсюда «0» в ее типовом номере). Электроды имели такую форму, чтобы напряжение обратного пробоя было намного выше, чем напряжение прямого пробоя. Как только напряжение пробоя было превышено, 0Z4 переключился в состояние с низким сопротивлением с прямым падением напряжения около 24 В.
Термоэлектронный вакуумная трубка диод , первоначально под названием Флеминг клапан , был изобретен Джоном Ambrose Флемингом в 1904 году в качестве детектора для радиоволн в радиоприемниках и превратился в общий выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала, нагреваемой отдельным током, и металлической пластины анода . Нить накала испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытый Томасом Эдисоном.в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызвало ток электронов через трубку от нити к пластине. Поскольку только нить накала генерирует электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.
Термоэлектронные диодные выпрямители широко использовались в источниках питания в электронных устройствах с электронными лампами, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например радиоприемник All American Five , для обеспечения высокого напряжения постоянного тока на пластине, необходимого для других электронных ламп. Двухполупериодные версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя. Выпрямители вакуумных трубок были сделаны для очень высоких напряжений, таких как источник питание высокого напряжения для электронно - лучевой трубки из телевизионных приемников, а также кенотрон , используемый для питания в рентгеновской аппаратуре. Однако, по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-заобъемный заряд и, как следствие, высокие падения напряжения, вызывающие большое рассеивание мощности и низкий КПД. Они редко могут выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности на пластинах, и не могут использоваться для низковольтных устройств, таких как зарядные устройства. Еще одним ограничением лампового выпрямителя является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных приспособлений для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.
Кристаллический детектор был первым типом полупроводникового диода. Изобретенный Джагадишем Чандрой Бозом и разработанный Г.В. Пикардом, начиная с 1902 года, он был значительным улучшением по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер. Кристаллический детектор широко использовался до появления электронных ламп. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором кошачьих усов , состоит из кристалла какого-то полупроводникового минерала , обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинящей проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая нагрузка сделали его непригодным для источников питания. В 1930-х годах исследователи уменьшили и улучшили кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах.
Когда-то распространенные, пока не были заменены более компактными и менее дорогостоящими кремниевыми твердотельными выпрямителями в 1970-х годах, в этих устройствах использовались стопки металлических пластин с оксидным покрытием и были использованы преимущества полупроводниковых свойств оксида селена или меди. [18] Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньше энергии, чем сопоставимые ламповые выпрямители, они имели недостаток в виде конечного срока службы, увеличения сопротивления с возрастом и подходили для использования только на низких частотах. Выпрямители на основе оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные скачки напряжения, чем кремниевые выпрямители.
Обычно эти выпрямители состояли из стопок металлических пластин или шайб, удерживаемых вместе центральным болтом, причем количество стопок определялось напряжением; каждая ячейка была рассчитана примерно на 20 В. Выпрямитель автомобильного зарядного устройства мог иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной лампы мог иметь десятки уложенных друг на друга пластин. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).
Кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили другие выпрямители. Благодаря значительно более низкому прямому напряжению (0,3 В по сравнению с 0,7 В для кремниевых диодов) германиевые диоды имеют неотъемлемое преимущество перед кремниевыми диодами в цепях низкого напряжения.
В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 год большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены пакетами из тиристоров очень большой мощности , кремниевыми устройствами с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.
В приложениях передачи средней мощности даже более сложные и сложные системы кремниевых полупроводниковых выпрямителей с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры отключения затвора (GTO) , уменьшили передачу энергии постоянного тока высокого напряжения. системы экономичные. Все эти устройства работают как выпрямители.
По состоянию на 2009 год ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называемый интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут увеличены по мощности. до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые системы выпрямления переменного тока на основе тиристоров для приложений постоянного тока с самой высокой мощностью передачи. [19]
Активное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы , обычно силовые MOSFET или силовые BJT . [20] В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители ведут себя как сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.
Исторически сложилось, что вибратор управляемый переключатель или с приводом от двигателя коммутаторы также используются для механических выпрямителей и синхронного выпрямления. [21]
Активное исправление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затемнением при минимальных потерях мощности.
Основная область исследований - разработка высокочастотных выпрямителей, которые могут преобразовывать в терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются для обнаружения оптических гетеродинов , которые находят множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах . Другое перспективное применение таких устройств - прямое выпрямление световых волн , улавливаемых крошечными антеннами , называемыми нанотеннами , для производства электроэнергии постоянного тока. [22] Считается, что массивы антенн могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии, чем солнечные элементы .
Связанная с этим область исследований - разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза. В исследовательских проектах делается попытка разработать мономолекулярный выпрямитель , единственную органическую молекулу, которая могла бы функционировать как выпрямитель.
Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про выпрямитель электрического тока Надеюсь, что теперь ты понял что такое выпрямитель электрического тока, выпрямитель, выпрямители и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база