Выпрямительные устройства — Студопедия

Выпрямителем называют электронное устройство, обеспечи­вающее преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию пульсирующего (однонаправленного) тока с той или иной степенью приближения к постоянному.

В общем случае выпрямитель может быть представлен в виде блок-схемы, представленной на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Блок-схема выпрями­теля:

/ — трансформатор; 2 — вентиль­ный блок; 3 — фильтр; 4 — нагруз­ка; 5 и 6 — блоки управления, за­щиты и сигнализации

Трансформатор 1 предназначен для согласования величин входного и выходного напряжений выпрямителя, а также галь­ванического разделения питающей сети и нагрузки. В некото­рых случаях на трансформатор возлагаются также функции ре­гулирования выходного напряжения за счет изменения его ко­эффициента трансформации. Вентильный блок 2 через фильтр 3 осуществляет выпрямление переменного тока в цепи нагрузки 4. Если вентильный комплект выпрямителя выполнен на управляемых вентилях, то в структуру выпрямителя входит блок 5, включающий в себя устройство управления вентилями, обеспечивающее подачу на вентили управляющих сигналов в соответствии с заданным алгоритмом регулирования режимов работы выпрямителя. Для обеспечения нормальной эксплуата­ции выпрямителя и защиты его от повреждений в аварийных режимах в его структуру входит еще блок

6 защиты и сигнализа­ции, а также встроенной диагностики.

В некоторых случаях отдельные элементы в выпрямителе мо­гут отсутствовать, например, бестрансформаторные выпрямите­ли или выпрямители без выходных фильтров (как правило, мно­гофазные).

^ Выпрямители могут быть классифицированы последующим основным признакам:

— по числу фаз источника питания различают однофазные и многофазные выпрямители;

— по возможности регулирования величины выходного напряже­ния — неуправляемые и управляемые выпрямители;

— по структуре вентильного комплекта — мостовые и со сред­ней точкой;

— по типу вентиля вентильного комплекта — диодные, транзи­сторные, тиристорные, комбинированнные (диодно-тиристорные).

Иногда выпрямители классифицируют по мощности и величи­не выходного напряжения, но эта классификация весьма условна. Обычно по мощности выделяют выпрямители малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой (свыше ста киловатт) мощности, а по напряжению — низкого (до 250 В), сред­него (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжения.

Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора структуры вентильного комплекта, типа применяемых приборов и методов расчета параметров и характеристик выпря­мителя и его элементов.

^ Характер нагрузки также может быть классификационным признаком, и в зависимости от этого различают выпрямители, работающие на активную, активно-индуктивную нагрузку и на­грузку, содержащую ЭДС.

При проектировании и разработке выпрямителей необходимо знать условия работы их элементов и определить их параметры.

Для точного определения характеристик и параметров вы­прямителя и его элементов проводят детальный анализ элек­тромагнитных процессов, происходящих в выпрямителе, вы­полнить который с учетом реальных параметров элементов вы­прямителя крайне сложно. В то же время при принятии неко­торых допущений, не искажающих физику происходящих про­цессов, но в определенной степени идеализирующих характе­ристики элементов выпрямителя, можно получить достаточно простые и наглядные расчетные соотношения, которые при необходимости можно уточнять, Такими уточнениями являют­ся: трансформатор без потерь, вентили — идеальные ключи, направление источника — синусоидальное.

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока на примере простейшего однофазного однополупериодного идеализированного выпрямителя с принципиальной схемой, изображенной на рис. 9.2, а и состоящей из трансформатора Тр, диода VD и нагрузочного резистора .

К первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение пита­ющей сети. Тогда в случае идеального трансформатора на его вторичной обмотке также будет синусоидальное напря­жение.

При полярности напряжения на вторичной обмотке транс­форматора, указанной на рис. 8.5, а (интервал времени от 0 до л на рис. 9.2, б), к диоду приложено напряжение вторичной об­мотки трансформатора в прямом направлении и он находится в проводящем состоянии, а падение напряжения на нем практи­чески равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмот­ки трансформатора прикладывается к нагрузке и по ней, вто­ричной обмотке трансформатора, и диоду протекает ток .

Рис. 9.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель:

а — схема; б — диаграмма тока и напряжения на элементах схемы

На интервале времени от до напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет противоположную полярность, диод VD находится в непроводящем состоянии и к нему в обрат­ном направлении прикладывается напряжение вторичной об­мотки трансформатора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в ней, во вторичной обмотке трансформатора и в диоде отсутствует. Далее процессы в выпрямителе повторяются.

Таким образом, к нагрузочному резистору прикладывается напряжение только одной полярности (выпрямленное напряже­ние) и по нему будет протекать ток только одного направления.

Среднее значение выпрямленного напряжения за указанный период

( 9.1 )

где — действующее напряжение на вторичной обмотке транс­форматора; .

Поскольку при активной нагрузке ток в ней повторяет форму приложенного к нагрузке напряжения, то среднее значение вы­прямленного тока

( 9.2 )

В настоящее время наиболее распространенным способом из­менения величины выпрямленного напряжения является непо­средственное воздействие на ключевые элементы вентильного комплекта, которые в этом случае должны быть управляемыми (например, тиристоры). Тогда, изменяя момент включения ти­ристора на интервале его проводящего состояния (изменяя угол регулирования ), можно изменять величину выпрямленного на­пряжения. Часто такой способ, называемый фазовым регулирова­нием, сочетают с изменением коэффициента трансформатора (зонно-фазовое регулирование). В этом случае получают более высокие значения коэффициента мощности выпрямителя.

Принцип работы выпрямителя

Маломощные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт)  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше).

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя).

Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

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

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на нулевой схеме. 

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.

Как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке? Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток.

Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

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

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

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

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны.

Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

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

Выпрямительный мост или схема Гретца

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

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

 Мостовая схема имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. 

Эта схема появилась исторически раньше нулевой, однако распространения не получила, потому что имела четыре диода вместо двух. А при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение.

Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую.

Основные соотношения для выпрямителя

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

Среднее значение выпрямленного напряжения

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

 . Поскольку Ud считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

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

Действующее значение тока вторичной обмотки

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

Действующее значение тока первичной обмотки

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

Мощность трансформатора

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

Пульсация выпрямленного напряжения

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

Где: l – полупериод π/m;  

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

Заменив  

 получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

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

 Средний ток диодов

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

Наибольшее обратное напряжение на диоде

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

Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы

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

Описание

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

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

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

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 o .

 Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

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

Полуволновое выпрямление

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

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

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

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

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

Среднее значение синусоиды

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

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

V AVE  = 0,318 * V MAX

I AVE  = 0,318 * I MAX

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

V AVE  = 0,45 * V RMS

I AVE  = 0,45 * I RMS

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

Полноволновое выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выход, т.к. он состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. 

Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

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

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

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

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

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

Форма волны на выходе выпрямителя

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением.

Однако двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

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

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

V AVE  = 0,637 * V MAX

I AVE  = 0,637 * I MAX

Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

V AVE  = 0,9 * V RMS

I AVE  = 0,9 * I RMS

Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A MAX или 0,9 * A RMS.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

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

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

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

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

Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

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

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

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

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

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

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

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

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

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

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

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

Резюме однофазного выпрямления

Однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

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

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

Выпрямитель напряжения (стабилизатор)

Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Стабилизатор напряжения

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• улучшая эффективность электрического фильтра;
• улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

• по схеме моста;
• по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Схема устройства стабилизатора напряжения

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f₁ с сетью питания U₁, I₁, и нагрузочную цепь с U_н, I_н одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Силовой трансформатор

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Диодный мост

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Интересно почитать: что такое клистроны.

Отличия выпрямителя и стабилизатора

В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
• высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
• эффективное воздушное охлаждение;
• герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
• современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
• возможность задать автоматический режим работы;
• модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
• оптимальные массогабаритные параметры;
• возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

Стабилизаторы напряжения – уникальная техника для автоматической регулировки сетевых параметров на прикрепленных зажимах с заранее установленными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их действия. Например, в стабилизирующих устройствах параметрического типа в основу положено использование свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов.

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

• многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
• возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
• наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
• позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке

схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

Схема получения повышенного напряжения.

При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с фото.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое выпрямитель тока, рассказано в статье Выпрямитель тока: Лекция. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.digteh.ru

www.stihl-msk.ru

www.electricalschool.info

www.domelectrik.ru

Предыдущая

ТеорияЧто такое электрический ток, виды и условия его существования

Следующая

ТеорияКак устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

Выпрямительные устройства: структурная схема и режимы работы

Выпрямительное устройство (ВУ) – это статический прибор, который преобразует поступающую на вход электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока. ВУ входит с состав систем электроснабжения и аппаратуры связи. Условное обозначение, применяемое в функциональных и структурных схемах изображено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Условное обозначение ВУ

В зависимости от числа фаз устройства источником электроэнергии U₁(t) может служить однофазная или трёхфазная промышленная сеть. Знакопеременное напряжение U₁(t) проходя через ВУ преобразуется в напряжение постоянного тока U₀(t). Помимо постоянной составляющей U₀ в преобразованном напряжении содержится переменная составляющая, которая называется пульсацией — U_п(t)=u₀(t)-U₀. Необходимый уровень пульсаций определяется параметрами подключаемой аппаратуры.

Структурная схема выпрямительного устройства

Выпрямители собираются по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием. Вторая схема в некоторых источниках называется схемой с бестрансформаторным входом. Рассмотрим традиционную схему, изображённую на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема традиционного ВУ

Выпрямитель состоит из трёх компонентов: трансформатора (Т), диодного блока (ДБ) с подключённым на выходе сглаживающим фильтром (СФ). На вход схемы подаётся знакопеременное напряжение. В трансформаторе обеспечивается преобразование поступившей электроэнергии U₁ в нужный уровень напряжения U₂, которое необходимо на выходе. Помимо этого, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку для изоляции подключённого оборудования от источника энергии.

Вентильный блок необходим для преобразования переменного напряжения U₂ полученного с выхода трансформатора в постоянное напряжение u₀₁. Диодный блок — это набор диодов, собранный по одной из однофазных или трёхфазных схем выпрямления. В управляемых выпрямителях для этой цели служат тиристоры.

Для снижения уровня пульсаций, после диодного блока идёт сглаживающий фильтр. Он сглаживает пульсации до требуемого уровня, который удовлетворяет требованиям подключаемой аппаратуры.

Большое применение в электропитании аппаратуры связи нашёл выпрямитель с двойным преобразованием, структурная схема которого изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема ВУ с двойным преобразованием

Отличительной чертой этого выпрямителя является отсутствие на входе устройства силового трансформатора. Электроэнергия подаётся напрямую на диодный блок (ДБ₁) к выходу которого подключен сглаживающий фильтр (СФ₁). В некоторых случаях возможна установка корректора коэффициента мощности.

Затем выпрямленное напряжение поступает на регулирующий инвертор (РИ), который преобразует в знакопеременное напряжение высокой частоты и подаётся на ДБ₂, где снова выпрямляется. Трансформатор высокой частоты, входящий в состав РИ обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от источника напряжения.

ВУ построенные по традиционной схеме просты в обслуживании и обладают высокой надёжностью, но имеют низкие массо-объёмные показатели и низкие энергетические показатели. ВУ с двойным преобразованием обладают высокими удельными массо-объёмными параметрами и высоким коэффициентом полезного действия.

Режимы работы

В любом выпрямителе после ДБ находится СФ. Он формирует форму токов протекающих по всем элементам ВУ, которые находятся после ДБ, а также определяет энергетические показатели ВУ в целом. Следовательно, существует три режима работы ВУ работающих на емкостную, индуктивную и смешанную нагрузку (Рисунок 4). Вкратце рассмотрим приведённые выше нагрузки.

Рисунок 4 – Режимы работы выпрямительных устройств

Работа выпрямителя на емкостную нагрузку означает, что конденсатор является первым элементом СФ. Сопротивление конденсатора в этом случае значительно меньше сопротивления стоящих следом за ним элементов, включая нагрузку, даже на частоте первой гармоники пульсации. Режим можно охарактеризовать низким коэффициентом полезного действия (КПД) и применяется в реальных устройствах, в которых потребляемая мощность не более двадцати ватт.

Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку означает, что дроссель является первым элементом СФ. Индуктивное сопротивление дросселя даже на частоте первой гармоники пульсации значительно больше результирующего сопротивления всех последующих элементов схемы, включая нагрузку. В этом режиме работы предполагает безразрывность тока, протекающего по обмоткам дросселя, даже при небольшом потреблении тока аппаратурой. Характеризуется минимальной потерей во всех элементах устройства по сравнению с другими режимами работы.

Режим работы выпрямителя на смешанную нагрузку предполагает, что в СФ используются как индуктивные элементы, так и емкостные. Во время небольшого потребления электроэнергии аппаратурой, выпрямительное устройство работает на нагрузку емкостного характера, а при большом потреблении на нагрузку индуктивного характера.

Выпрямительные устройства

Выпрямительное устройство (ВУ) – прибор, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Является вторичным источником электропитания. На сегодняшний день на предприятиях связи используются ВУ с пре- образованием электрической энергии на высокой частоте, которые обеспечи-

вают наилучшие технико-экономические показатели.

Структурная схема такого ВУ показана на рисунке (Рисунок 4.11). На- пряжение переменного тока через фильтр высокочастотных помех ФВП пре- образуется выпрямителем В1 в ток, пульсирующий с удвоенной частотой се- ти (100 Гц), который поступает на корректор коэффициента мощности ККМ. ККМ уменьшает уровень пульсаций выпрямленного напряжения, а также формирует синусоидальную форму потребляемого тока. С выхода ККМ по- стоянное напряжение величиной около 400 В поступает на вход инвертора И, который переменное напряжение прямоугольной формы с частотой 50…500 кГц. Это напряжение поступает на трансформатор Т, который уменьшает его до нужной величины, а также обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Высокочастотное напряжение с выхода трансформатора выпрямляется выпрямителем В2, и сглаживается фильтром СФ. Выходное напряжение стабилизируется схемой управления СУ на осно- ве сигнала отрицательной обратной связи ООС, который несет информацию о величине выходного напряжения. Регулировка выходного напряжения, как правило, осуществляется путем изменения ширины импульса инвертора (ШИМ-регулирование).

Рисунок 4.11 – Структурная схема выпрямительного устройства Аналогично ИБП переменного тока промышленные ВУ выпускаются в

модульном исполнении, что позволяет наращивать мощность системы путем параллельного соединения необходимого количества модулей, а также обес- печивать требуемый уровень надежности путем ведения резервирования.

Основные характеристики выпрямительных устройств.

Выходное напряжение, В номинальное напряжение на выходе ВУ

Максимальный ток, А. Для ВУ модульного исполнения следует раз- личать максимальный ток модуля и максимальный ток устройства.

Максимальная выходная мощность, Вт – равна произведению вы- ходного напряжения на максимальный ток. В документации производителя может быть указана как максимальная мощность, так и максимальный ток. Для ВУ модульного исполнения следует различать мощность модуля и мощ- ность ВУ.

Коэффициент пульсаций выходного напряжения, % – относитель- ная величина уровня высокочастотных пульсаций в выпрямленном напряже- нии.

Максимальная потребляемая мощность, Вт или ВА. В документа- ции производитель может как максимальную активную мощность (Вт), по- требляемую из сети, так и максимальную полную мощность (ВА).

Коэффициент мощности – величина, характеризующая качество по- требления электрической энергии переменного тока – отношение активной потребляемой мощности к полной.

Коэффициент полезного действия, % – характеризует величину по- терь электрической энергии при преобразовании.

Основные характеристики некоторых промышленно выпускаемых не- обслуживаемых выпрямительных устройств, приведены в таблице (Таблица 4.4).

Выпрямительные устройства ВУК | Эксплуатация электропитающих установок связи

Страница 11 из 55

Автоматизированные выпрямительные устройства кремниевые типа ВУК разработаны с учетом требований автоматики, унификации и надежности и выпускаются в настоящее время взамен выпрямительных устройств типа ВУ. Выпрямительные устройства типа ВУК выпускаются с условной мощностью 2, 4, 9, 16 и 40 кВт и имеют следующие особенности.

1. В качестве выпрямительных элементов применены кремниевые вентили вместо селеновых, что позволило повысить КПД устройств ВУК на 3—15%.
2. В качестве автоматически регулируемого элемента применен трехфазный дроссель насыщения с внутренней обратной связью (за исключением ВУК мощностью 2 кВт), что позволило значительно снизить мощность дросселя насыщения и значительно уменьшить расход меди и трансформаторной стали, увеличить скорость регулирования и тем самым улучшить динамические характеристики выпрямительных устройств, сократив длительность переходных процессов примерно в 2—10 раз в зависимости от мощности выпрямительного устройства. Введение демпферной обмотки в дросселях насыщения позволило устранить возможные автоколебания, возникающие в некоторых режимах работы выпрямительных устройств из-за разной постоянной времени дросселя насыщения и стабилизатора.
3. В качестве устройства, следящего за величинами выпрямленного напряжения и тока, в выпрямительных устройствах типа ВУК всех мощностей применен один и тот же полупроводниковый стабилизатор.
4. Величина напряжения пульсации выпрямленного напряжения уменьшена и соответствует нормам, установленным ГОСТ 5237—69 для аппаратуры проводной связи.
5. Габаритные размеры по ширине уменьшены у выпрямительных устройств мощностью 9 и 16 кВт до 800 мм, у устройств мощностью 4 кВт — до 550 мм.
6. Схемы автоматики ВУК усовершенствованы введением в них полупроводниковых элементов (стабилитронов и транзисторов), создающих четкое срабатывание реле.
7. В режиме стабилизации напряжения введено ограничение по току.
8. В ВУК мощностью 9 и 16 кВт введена сигнализации от перенапряжения.
9. При параллельной работе ВУК вместо любого рабочего выпрямительного устройства, выключившегося из-за неисправности, применено автоматическое включение резервного выпрямительного устройства.

В табл. 1.7 приведены типы и основные электрические параметры выпрямительных устройств типа ВУК, в табл. 1.8 —основные технические данные в режимах стабилизации напряжения и тока, а в табл. 1.9 габаритные размеры и масса.

Таблица 1.7
Типы и основные электрические параметры выпрямительных устройств типа ВУК

Примечание. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности указаны при номинальном напряжении питающей сети и максимальной выходной мощности.

Выпрямительные устройства типа ВУК обеспечивают стабилизацию выпрямленного напряжения с точностью ±2% при изменении напряжения и частоты питающей сети в пределах, указанных в табл. 1.7, и тока нагрузки в пределах, указанных в табл. 1.8.
Выпрямительные устройства мощностью 2, 4, 9 и 16 кВт обеспечивают стабилизацию выпрямленного тока с точностью 10% от максимального значения при установке тока в диапазоне от 50 до 100% максимального значения и с точностью 20% установленного значения при установке тока в диапазоне от 30 до 50%, а выпрямительное устройство ВУК-67/600 — с точностью 10% установленного значения при установке тока в диапазоне от 100 до 40% максимального значения. Указанная точность стабилизации сохраняется при изменениях выпрямленного напряжения от нижнего до верхнего пределов, указанных в табл. 1.8, и при изменениях напряжения и частоты питающей сети, указанных в табл. 1.7.

Таблица 1.8
Основные технические данные выпрямительных устройств типа ВУК в режимах стабилизации напряжения и тока

Примечание. Режимы работы выбираются путем перепайки витков иа силовом трансформаторе.

Таблица 1.9
Габаритные размеры и масса выпрямительных устройств типа ВУК

Параметр	ВУК с условной МОЩНОСТЬЮ 2 кВт	ВУК с условной мощностью 4 кВт	ВУК с условной мощностью 9 кВт	ВУК с условной мощностью 16 кВт	ВУК С условной мощностью 40 кВт в двух шкафах
					коммутационном	СИЛОВОМ
Высота, мм	2250	2250	2250	2250	2250	2250
Ширина, мм	450	550	800	800	750	1100
Глубина, мм	700	700	700	800	800	800
Масса, кг	290	450	700	950	700	1100

Для зарядно-буферных устройств в режиме стабилизации тока при изменении выпрямленных напряжений от верхнего предела до максимального значения, указанных в табл. 1.8, допускается снижение тока до 60% установленной величины.
Выпрямительные устройства ВУК-265/60, ВУК-140/66, а также буферные выпрямительные устройства с максимальным напряжением 67 В могут использоваться для заряда аккумуляторных батарей до напряжения 2,3 В на элемент без вольтодобавочного выпрямителя. При этом их выходное напряжение может быть повышено соответственно до 270, 155 и 74 В, а ток снижен до 75—80% максимального значения. Структурная схема выпрямительных устройств ВУК мощностью 4 кВт и более приведена на рис. 1.27.
Принципиальные электрические схемы выпрямительных устройств ВУК (кроме ВУК мощностью 2 кВт) незначительно отличаются друг от друга. Выпрямительное устройство ВУК состоит из силовой цепи (основного тракта), полупроводникового стабилизатора 10, систем автоматики и сигнализации 6, устройств защиты от перегрузок по току 7 и перенапряжения 8, устройства, обеспечивающего равномерное распределение тока нагрузки между параллельно работающими выпрямительными устройствами 9.

Силовая цепь устройства включает трансформаторы тока 1, силовой трансформатор 2, дроссель насыщения 3, вентили основного выпрямительного моста 4, фильтр 5.
В устройствах типа ВУК для выпрямления переменного тока применена трехфазная мостовая схема — схема Ларионова. Регулирование и стабилизация выпрямленных напряжения и тока  осуществляется трехфазным дросселем насыщения.

Рис. 1.27. Структурная схема выпрямительных устройств типа ВУК мощностью 4 кВт и более

Рис. 1.28. Схема полупроводникового стабилизатора

 В устройствах ВУК мощностью 4, 9, 16 и 40 кВт применены дроссели насыщения с внутренней положительной обратной связью, а в ВУК мощностью 2 кВт — дроссель насыщения без обратной связи. Дроссель насыщения имеет три обмотки подмагничивания: главную обмотку подмагничивания (ГОП), обмотку смещения и демпферную. Как видно из кривой намагничивания, приведенной на рис. 1.17, угол управления может достигнуть наибольшего значения, если задать подмагничивание, при котором В0=—Bs, но при этом ток подмагничивания должен быть отрицательным. Чтобы не менять знака тока во время регулирования, ДН снабжают обмоткой смещения. В этой обмотке поддерживают ток, создающий постоянную намагничивающую силу — Нк. Благодаря этому вся кривая намагничивания оказывается смещенной относительно оси ординат на величину Нк вправо и во всей области регулирования ток подмагничивания будет иметь положительные значения.
Полупроводниковый стабилизатор (рис. 1.28) представляет собой трехкаскадный усилитель постоянною тока на транзисторах, а элементами опорного напряжения служат кремниевые стабилитроны Д3, Д4. Первый каскад стабилизатора (транзисторы Т1 и Т2) выполнен по схеме составного транзистора на кремниевых транзисторах малой мощности, второй каскад является согласующим (эмиттерный повторитель) и выполнен на германиевом
транзисторе средней мощности Т3. Нагрузкой третьего выходного каскада является главная обмотка подмагничивания дросселя насыщения (ГОП). Вследствие индуктивной нагрузки выходной каскад выполнен на высоковольтном германиевом транзисторе большой мощности T4. Для обеспечения нормальной работы стабилизатора в разных температурных режимах в цепь эмиттера транзистора Т4 включены два кремниевых диода, а в цепь эмиттера транзистора Т3 — один кремниевый диод. Для защиты транзистора выходного каскада от переменной составляющей напряжения, которая может появиться в обмотке ГОП, параллельно последней включен диод Д8.
В некоторых режимах работы ВУК могут появиться незатухающие колебания с частотой 5—10 Гц. Для их устранения применена отрицательная обратная связь. В выпрямительных устройствах мощностью 4, 9 и 16 кВт напряжение обратной связи снимается с демпферной обмотки дросселя насыщения, а в выпрямительных устройствах мощностью 2 и 40 кВт напряжение обратной связи снимается со вторичной обмотки дросселя фильтра. Напряжение обратной связи подается на базу транзистора Τ1первого каскада стабилизатора.
Если напряжение на выходе ВУК по какой-либо причине увеличится, то напряжение на входе стабилизатора станет выше напряжения стабилитронов Д3 и Д4. Из-за нелинейности последних резко увеличится ток, проходящий через резисторы R1, R2, т. е. увеличится напряжение, подаваемое на эмиттер — базу составного транзистора первого каскада стабилизатора Т1, Т2, который откроется. Напряжение между эмиттером и коллектором Т2 уменьшится, а следовательно, уменьшится входное напряжение эмиттер — база транзистора Т3 второго каскада. Транзистор Т3 закроется, коллекторный ток через Т3 резко уменьшится и Т4 также закроется, так как уменьшится напряжение на резисторе R5. В обмотку подмагничивания ГОП дросселя насыщения поступит ток меньшей величины, в результате рабочая точка на кривой намагничивания дросселя (см. рис. 1.17) сместится влево, т. е. время перемагничивания, а следовательно, и величина угла α дросселя увеличатся, а выпрямленное напряжение уменьшится.
При уменьшении напряжения на входе стабилизатора транзисторы первого каскада закрываются, а второго и третьего открываются, в обмотку ГОП поступает ток большой величины. Таким образом осуществляется автоматическая стабилизация напряжения на выходе ВУК при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки. Аналогично работает стабилизатор в режиме стабилизации тока.
В цепь каждой фазы ВУК между главными контактами контактора переменного тока и первичными обмотками силового трансформатора включены первичные обмотки трансформаторов тока, вторичные обмотки которых через выпрямительные мосты подключены к цепям автоматики и защиты. Питание цепей автоматики, защиты и сигнализации осуществляется от однофазного трансформатора.
Защита и автоматика, срабатывающие в зависимости от тока нагрузки, получают входной сигнал от вторичных обмоток трансформаторов тока через соответствующие выпрямительные мосты. Напряжение выпрямительного моста пропорционально току нагрузки, так как фазовый ток пропорционален току нагрузки выпрямительного устройства.
Для равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими выпрямителями применено специальное устройство, благодаря которому стабилизатор контролирует не только выходное напряжение выпрямительного устройства, а также и токи нагрузки каждого из выпрямительных устройств.
Из-за применения разных типов стабилизаторов выпрямительные устройства типа ВУК с условной мощностью 9 и 16 кВт не стыкуются с однотипными выпрямительными устройствами типа ВУ. Выпрямительные устройства типа ВУК с условной мощностью 2 и 4 кВт могут работать совместно с однотипными выпрямительными устройствами типа ВУ, но при этом необходимо внести изменения в схемы автоматики выпрямительных устройств типа ВУ.
Выпрямительные устройства мощностью 2, 4, 9 и 16 кВт выполнены в виде шкафа; ВУК-67/600 конструктивно выполнено в двух шкафах — силовом и коммутационном, которые устанавливаются рядом.

Маломощные однофазные выпрямители

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

Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

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

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

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

Нулевая схема выпрямления

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

Нулевая схема выглядит так:

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:

Выпрямительный мост или схема Гретца

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

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

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

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

Основные соотношения для выпрямителя

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

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и  . Поскольку U_d считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

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

Действующее значение тока вторичной обмотки

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

Действующее значение тока первичной обмотки

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

Мощность трансформатора

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

Пульсация выпрямленного напряжения

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

Где: l – полупериод π/m;  

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

Заменив   получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

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

 Средний ток диодов

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

Наибольшее обратное напряжение на диоде

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

Что такое выпрямитель? — Электрово

Выпрямители имеют множество применений, но часто используются в качестве компонентов источников питания постоянного тока и систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерирования постоянного тока для использования в качестве источника энергии. Как уже отмечалось, детекторы радиосигналов служат выпрямителями. В системах газового отопления для определения наличия пламени используется выпрямление пламени.
Из-за переменного характера входной синусоидальной волны переменного тока сам по себе процесс выпрямления производит постоянный ток, который, хотя и является однонаправленным, состоит из импульсов тока.Для многих применений выпрямителей, таких как источники питания для радио, телевизионного и компьютерного оборудования, требуется постоянный постоянный ток (который вырабатывается батареей). В этих приложениях выход выпрямителя сглаживается электронным фильтром (обычно конденсатором) для получения постоянного тока.
Более сложная схема, которая выполняет противоположную функцию, преобразовывая постоянный ток в переменный, называется инвертором.

• 1 Выпрямительные устройства
• 2 схемы выпрямителя
  • 2.1 Однофазные выпрямители
    • 2.1.1 Полуволновое выпрямление (M1U)
    • 2.1.2 Полноволновое выпрямление (B2U)
  • 2.2 Выпрямители трехфазные
    • 2.2.1 Трехфазная полуволновая цепь (M3U)
    • 2.2.2 Трехфазная двухполупериодная схема с центральным трансформатором (M6)
    • 2.2.3 Выпрямитель мостовой трехфазный неуправляемый (Б6У)
    • 2.2.4 Трехфазный мостовой выпрямитель с управлением (B6C)
    • 2.2.5 Двенадцатиимпульсный мост
  • 2.3Умножители напряжения
• 3 КПД выпрямителя
• 4 Потери выпрямителя
• 5 Сглаживание выхода выпрямителя
• 6 приложений
• 7 Ректификационные технологии
  • 7.1 Электромеханический
    • 7.1.1 Синхронный выпрямитель
    • 7.1.2 Вибрационный выпрямитель
    • 7.1.3 Мотор-генераторная установка
  • 7,2 Электролитический
  • 7,3 Тип плазмы
    • 7.3.1 Ртутная дуга
    • 7.3.2 Электронная лампа на аргоновом газе
  • 7,4 Диодная вакуумная трубка (вентиль)
  • 7,5 Твердое состояние
    • 7.5.1 Детектор кристаллов
    • 7.5.2 Выпрямители из оксида селена и меди
    • 7.5.3 Кремниевые и германиевые диоды
    • 7.5.4 Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения
• 8 Текущее исследование
• 9 Ссылки

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей использовались вакуумные ламповые термоэмиссионные диоды и металлические выпрямительные батареи на основе оксида меди или селена.С внедрением полупроводниковой электроники вакуум

.

Диодные и выпрямительные устройства | Microsemi

Обзор

Microsemi является пионером в создании выпрямительных диодов с 1960 года. Текущее предложение диодов включает в себя высокомощные диоды, ВЧ диоды и практически все разновидности диодов, используемых в Space , Commercial Aviation , Hi-Reliability , Военные и Промышленные (включая Автомобильные ) приложения. Дискретные решения Microsemi соответствуют требованиям MIL-PRF-19500 , и компания имеет больше квалификаций DLA , чем любой другой производитель космического уровня.Мы были первым производителем диодов, выбранным военными службами США в качестве источника поставки, чтобы обеспечить соответствие продукции высочайшему заданному уровню надежности.

Для Commercial / Industrial приложений , охватывающих широкий спектр требований приложений, предложения Microsemi-диодов включают серию DL с низким VF и сверхмягким восстановлением, серию D средней скорости и напряжения, серию DQ высокой скорости сверхбыстрого восстановления , очень быстродействующие серии DS и кремниевые диоды Шоттки серии S.Диодные продукты сверхбыстрого восстановления (DQ) особенно подходят для приложений с более высокой частотой коммутации, таких как преобразователи AC-DC / DC-DC в зарядных устройствах H / EV и импульсных источниках питания. Семейство диодов DQ выпускается в сериях 600 В, 1000 В и 1200 В и имеет номинальный ток от 8 А до 100 А. Квалификация AEC-Q101 для семейства высоковольтных диодов DQ расширяет возможности использования продукции в приложениях с более высокой надежностью, таких как бортовые зарядные устройства и силовые агрегаты.

Характеристики диода DQ Сверхбыстрое время восстановления Мягкое восстановление Низкий ток утечки Класс энергии лавин Соответствует AEC-Q101

Преимущества диода DQ Более высокая частота переключения Низкие коммутационные потери Коммутация с низким уровнем шума (EMI) Простая параллельность Повышенная надежность системы

Применение диодов DQ Преобразователи AC-DC / DC-DC Инверторы Импульсный источник питания Зарядные устройства H / EV H / EV бортовые зарядные устройства и трансмиссия

Таблица 1: Стандартные диоды Microsemi и диоды быстрого восстановления

Серия	Номинальное напряжение (В)	Характеристики	Приложения	Комментарий
DL	600	Low VF Сверхмягкое восстановление Лавина Номинальная	Выходной выпрямитель Резонансная цепь	Сверхмягкое восстановление сводит к минимуму или устраняет амортизатор
D	200, 300, 400, 600, 100, 1200	Средний VF Средний	Frewheeling Diode Output Rectifier DC-DC преобразователь	собственный платиновый процесс
DQ	600, 100, 1200	Высокая скорость Оценка лавин	PFC Диод свободного хода Преобразователь постоянного тока в постоянный	Stepped epi улучшает мягкость Платиновый процесс, запатентованный AECQ101 Соответствует
DS	600	Очень высокая скорость	Высокочастотный PFC	Собственный платиновый процесс
Шоттки	200	Low VF Оценка лавин	Выходной выпрямитель Диод свободного хода Преобразователь постоянного тока в постоянный

Приложения

Рекомендуемые приложения для диодных и выпрямительных устройств

Параметрический поиск

• «Предыдущая
• {{n + 1}}
• Следующий »
Показано 2550100 на страницу

Детали	Статус детали	упаковка Тип	Перевозчик пакетов	{{attribute.имя | noComma}} ({{attribute.type}})

В этой категории нет параметрических данных! попробуйте другие категории

.Диодные выпрямительные схемы

»Электроника

Цепи диодного выпрямителя

бывают разных форм: от простых диодов до полуволновых, двухполупериодных выпрямителей, схем с мостовыми выпрямителями, удвоителей напряжения и многого другого.

---

Цепи диодного выпрямителя Включают: Цепи диодного выпрямителя
Полупериодный выпрямитель Двухполупериодный выпрямитель Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодный мостовой выпрямитель Синхронный выпрямитель

---

Диодные выпрямительные схемы — одна из ключевых схем, используемых в электронном оборудовании.Их можно использовать в импульсных источниках питания и линейных источниках питания, демодуляции радиочастотного сигнала, измерении мощности радиочастотного сигнала и многом другом.

Существует несколько различных типов схем диодного выпрямителя, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Решение о том, какой тип диодной схемы использовать, зависит от конкретной ситуации.

Основы схемы диодного выпрямителя

Ключевым компонентом любой схемы выпрямителя, естественно, является используемый диод или диоды. Эти устройства уникальны тем, что пропускают ток только в одном направлении.Интересно, что Амброуз Флеминг, который изобрел первую форму диода, назвал свою версию клапаном из-за его одностороннего действия. Полупроводниковые диоды теперь выполняют ту же функцию, но занимают небольшую часть пространства и обычно составляют лишь небольшую часть стоимости.

Полупроводниковый диод имеет характеристики, похожие на показанные ниже. В прямом направлении требуется небольшое напряжение на диоде, прежде чем он станет проводящим — это называется напряжением включения. Фактическое напряжение зависит от типа диодного выпрямителя и используемого материала.Для стандартного выпрямителя с кремниевым диодом это напряжение включения составляет около 0,6 В. Германиевые диоды имеют напряжение включения около 0,2 — 0,3 В, а кремниевые диоды Шоттки имеют аналогичное напряжение включения в диапазоне 0,2 — 0,3 В

PN диод VI характеристика

В обратном направлении диодный выпрямитель окончательно выйдет из строя. Напряжение пробоя обычно значительно превышает напряжение включения — шкалы на диаграмме были изменены (сжаты) в обратном направлении, чтобы показать, что происходит обратный пробой.

Примечание о типах диодов:

Хотя основная функция диода остается прежней, существует много различных типов с немного разными характеристиками. Некоторые из них оптимизированы для выпрямления мощности, другие — для выпрямления сигналов, третьи используют диодный переход для излучения света или имеют переменную емкость и т. Д.

Подробнее о типах полупроводниковых диодов .

Для выпрямления мощности обычно используются силовые диоды или диоды Шоттки.Для выпрямления сигналов могут использоваться мелкоконтактные диоды, сигнальные диоды или диоды Шоттки. Преимущество диода Шоттки в том, что для прямой проводимости требуется только прямое напряжение около 0,2 — 0,3 вольт. Это особенно полезно при обнаружении слабых радиосигналов, а при использовании в качестве выпрямителя мощности потери мощности снижаются. Однако характеристики обратной утечки не так хороши, как у обычных кремниевых диодов.

Символ диода и упаковка

Условное обозначение диодной цепи широко известно.Диоды также входят в различные пакеты, хотя некоторые из наиболее распространенных форматов показаны на диаграмме ниже.

Обозначение диодной цепи

Действие диодного выпрямителя

Действие диода — пропускать ток только в одном направлении. Поэтому на диод подается переменная форма волны, тогда она допускает проводимость только более половины формы волны. Оставшаяся половина заблокирована.

Выпрямительное действие диода

Конфигурация схемы диодного выпрямителя

Существует ряд различных конфигураций схемы диодного выпрямителя, которые можно использовать.Каждая из этих различных конфигураций имеет свои преимущества и недостатки и поэтому применима к различным приложениям.

• Схема однополупериодного выпрямителя: Это самая простая форма выпрямителя. Часто использование только одного диода блокирует половину цикла и пропускает другой. Таким образом, используется только половина формы волны.

  Хотя преимуществом этой схемы является ее простота, недостатком является тот факт, что между последовательными пиками выпрямленного сигнала больше.Это делает сглаживание менее эффективным и затрудняет подавление пульсаций высокого уровня.

  Эта схема не используется для каких-либо источников питания — она ​​чаще используется для обнаружения сигналов и уровней.

  
  

• Двухполупериодная схема выпрямителя: Эта форма выпрямительной схемы использует обе половины формы волны. Это делает эту форму выпрямителя более эффективной, и, поскольку в обеих частях цикла присутствует проводимость, сглаживание становится намного проще и эффективнее.Есть два типа выпрямителей с полным выпрямителем.

  • Двухдиодный двухдиодный двухполупериодный выпрямитель с ленточным трансформатором: Двухдиодная версия двухполупериодной схемы выпрямителя требует центрального отвода в трансформаторе. Когда использовались вакуумные трубки / термоэмиссионные клапаны, эта опция широко использовалась ввиду стоимости клапанов. Однако в случае с полупроводниками четырехдиодная мостовая схема позволяет сэкономить на стоимости трансформатора с центральным ответвлением и является столь же эффективной.

    
    

  • Мостовая схема полного выпрямителя: Это особая форма двухполупериодного выпрямителя, в котором используются четыре диода в мостовой топологии. Мостовые выпрямители широко используются, особенно для выпрямления мощности, и их можно получить как один компонент, содержащий четыре диода, соединенных в виде моста.

    В этом формате используются четыре диода, по два проводящих в каждой половине цикла. Это означает, что есть два падения напряжения на диодах, которые могут рассеивать некоторую мощность, но это экономит потребность в трансформаторе с центральным ответвлением, что дает значительную экономию средств.Кроме того, диоды не обязательно должны иметь такое высокое номинальное обратное напряжение, как те, которые используются в конфигурации с двумя диодами.

    Ввиду того, что есть два падения напряжения на диодах, эта схема редко используется для обнаружения сигналов. Однако он очень подходит для использования в линейных источниках питания, а также во многих случаях в импульсных источниках питания.

    
    

• Схема синхронного выпрямителя: В синхронных или активных выпрямителях для обеспечения переключения вместо диодов используются активные элементы.Это позволяет избежать потерь в диодах и значительно повысить эффективность.

  Ввиду более высокого уровня эффективности, который могут обеспечить синхронные выпрямители, они очень широко используются в высокоэффективных импульсных источниках питания. Их сложность более чем перевешивается достижимым гораздо более высоким уровнем эффективности.

  
  

Принимая во внимание разнообразие различных типов выпрямительных схем, существует хороший выбор того, какой тип использовать.Во многих случаях это продиктовано требуемым уровнем производительности, и в большинстве случаев требуется двухполупериодный выпрямитель. Учитывая доступность и низкую стоимость мостовых выпрямителей, это, как правило, самый дешевый вариант, а не экономия на диодах и необходимость в центральном ленточном трансформаторе.

Из-за современных источников питания, требующих еще более высокого уровня эффективности, многие разработчики обращаются к использованию синхронных выпрямителей. Хотя они более сложные и поэтому стоят дороже, эти затраты часто окупаются отдачей, которую они дают при повышении уровня эффективности.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

.

Wuhan Wuzheng Rectifier Co., Ltd.

у нас есть 46-летняя история исследований и производства.
у нас есть передовая испытательная машина, помогающая подобрать товары самого высокого качества. Wuhan Wuzheng Rectifier Co., Ltd, ведущий производитель силовых полупроводников и эксперт в Китай, расположен в «Долине оптики» Китая, в зоне национального развития высоких технологий Восточного озера Ухань.

Основанная в 1970 году, компания Wuhan Wuzheng Rectifier специализируется на производстве силовых полупроводников уже более 4 десятилетий.Оглядываясь назад на курс нашего развития, Wuzheng пережил и славу, и трудности.

Как один из профессиональных производителей силовых полупроводниковых компонентов и выпрямительных устройств в Китае, Wuzheng стремится широко предоставлять высококачественные силовые полупроводниковые изделия клиентам во всем мире. Придерживаясь бизнес-принципов «Честный — Профессиональный — Эффективный — Повышение ценности — Беспроигрышный», Wuzheng Rectifier реализует бизнес-философию в «контроле производственных затрат, внедрении передовых технологий, высокоэффективной коммуникации, строгой квалификации, клиентском ориентированные, продуманные аспекты до / послепродажного обслуживания и т. д., не щадя усилий для увеличения «ценности доставки для клиента».

Наша основная продукция включает: выпрямители и тиристоры и соответствующие выпрямительные устройства; Устройство капсульного / дискового типа, устройство типа шпильки, модуль питания, мостовой выпрямитель, запрессованный диод, твердотельное реле, интеллектуальный модуль, радиатор, сварочное устройство, выпрямительное оборудование, импульсный источник питания и т. Д.

У нас есть около 350 сотрудников с Годовой объем продаж составляет 10 млн долларов США, 40% приходится на экспорт. мы получили сеть продаж, охватывающую Европу, Америку, Ближний Восток, Азию, Австралию, страны Африки.Современное оборудование, отличная система контроля качества и разумная цена на все процедуры позволяют нам удовлетворять запросы клиентов.

В связи с нарастающей очевидной тенденцией к техническому развитию, глобализации и информатизации, TECHELE / WUZHENG Rectifier тепло приветствует клиентов из дома и за рубежом для дальнейшего развития технического сотрудничества и научных исследований с нами для создания взаимной выгоды и продвижения в будущее!

.