Исторически сложилось, что электроэнергию выгоднее и дешевле получать в виде переменного тока, вырабатываемого генераторами силовых станций. Такое представление позволяло эффективно передавать ее на огромные расстояния. На приемном конце она преобразовывалась в удобное для потребителей однофазное напряжение и в этом виде поступала в линию питания. Однако внутренние схемы большинства современных электроприемников нуждаются в постоянном питании, величина которого выбирается из стандартного ряда значений 5, 9, 12, 24, 36 или 48 Вольта. Для их получения в схему электронных приборов пришлось вводить специальный выпрямитель напряжения (на 24 Вольта, например).
Принцип работы выпрямителя
Для ясного понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока сначала придется учесть, что для выпрямления переменного напряжения применяют полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительной особенностью является возможность проводить ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, подаваемое на них переменное напряжение на выходе будет иметь вид положительных пульсаций со срезанными нижними половинками полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет протекать ток, являющийся основой для формирования постоянного питания. Для его получения необходимы дополнительные электрические элементы.
Любой выпрямитель тока имеет в своем составе следующие основные узлы:
- Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
- набор из диодов (мостик);
- сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
- стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.
Известно множество вариантов электронных выпрямителей, отличающихся числом и способом подсоединения диодов, а также своими рабочими параметрами. Особый интерес представляют различные подходы к включению в схему диодных элементов. Стабилизирующий каскад выпрямительного устройства собирается на транзисторных ключах, называемых электронными реле.
Виды выпрямителей
В зависимости от способа включения полупроводниковых диодов все выпрямители переменного тока подразделяются на следующие виды:
- однополупериодные (полуволновые);
- двухполупериодные (полноволновые со средней точкой или схемы Миткевича);
- мостовые или выпрямители Гретца;
- выпрямители с удвоением рабочего напряжения и другие, менее распространенные схемы.
Однополупериодное включение – самые простой способ, используемый для выпрямления переменного тока. Другое название – нулевая выпрямительная схема.
С помощью устройств этого класса удается получить только пульсирующий (используемый лишь наполовину) выходной ток. Схемы, построенные на однополупериодном принципе, отличаются низкой эффективностью преобразования и применяются крайне редко. Их двухполупериодные аналоги имеют в своем составе два диода и обеспечивают выпрямление полуволн обеих полярностей. Они отличаются большей эффективностью и применяются в простейших блоках питания.
Однофазные мостовые выпрямители, так называемые схемы Гретца на 4-х диодах, характеризуются высоким КПД, под которым понимается эффективность использования полученной от трансформатора мощности.
Напряжение на выходе полупроводниковых выпрямительных мостов является хорошей основой для последующего сглаживания и стабилизации — получения постоянного тока.
Они широко применяются в устройствах повышенной энергоемкости типа генераторов с выходными напряжениями от десятков до сотен Вольт. К их достоинствам относят:
- низкое обратное напряжение (доли Вольта);
- небольшие габариты;
- высокий КПД использования трансформатора (в сравнение со схемой Миткевича).
Существенный недостаток мостовых схем – в два раза большее падение напряжения на диодах, что вынуждает при их разработке выбирать выходные параметры трансформатора с запасом. Эта часть полезной мощности теряется затем на переходах четырех диодов.
Типы выпрямителей по функциональным возможностям
По своему назначению и функциональным возможностям известные образцы выпрямителей делятся на однофазные и трехфазные устройства. Первые используются в электросетях многоквартирных и частных домов и предназначены для питания бытовой аппаратуры. Вторые представляют собой электронный модуль из 3-х однотипных узлов, изготавливаемых по одной из следующих схем:
- однотактные выпрямители;
- двухтактные системы;
- комбинированные модули: с двумя трехфазными обмотками с параллельным и последовательным включением диодов.
Применение однотактных схем трансформации ограничено из-за малой эффективности выпрямленного напряжения. Двухтактные их аналоги широко применяются в электродвигателях постоянного тока и других электрических машинах, содержащих в своей конструкции щеточные узлы. Помимо классических выпрямителей, предназначенных для установки в коллекторные двигатели, существуют схемы, которые позволяют повысить напряжение на выходе в несколько раз. Частным случаем таких решений является выпрямитель с удвоением напряжения.
Схема выпрямителя с удвоением напряжения лишь деталями отличается от уже рассмотренных вариантов. Такие устройства принято называть умножителями, которые легко собираются своими руками.
Основные соотношения при расчете выпрямителя
Для расчета 2-хполупериодного выпрямителя, выбранного в качестве примера, потребуется знать следующие исходные данные:
- входное напряжение, действующее во вторичной обмотке трансформатора;
- ток в диодах, протекающий в цепи с учетом нагрузки;
- емкость электролитического конденсатора, выбираемая, исходя из заданного коэффициента сглаживания пульсаций;
- максимальное напряжение на нем.
Важно учитывать падение напряжения на твердотельных диодах, находящихся в открытом состоянии.
Расчетные соотношения для этого случая представляются в следующем виде.
- Ток в обмотке трансформатора по величине равен максимальному его значению в нагрузке (Iобм= Iнагр).
- Напряжение во вторичной обмотке в режиме холостого хода составляет U2≈ 0,75Uнагр.
- Выпрямительные диоды рекомендуется брать со следующими параметрами: Uобр > 3,14Uнагр, а Iмакс > 1,57Iнагр.
Выпрямители широко применяются в самых различных областях электротехники и электроники, включая современные системы управления. Поэтому так важно разобраться с тем, что такое выпрямители тока и какие их разновидности используются при построении самых эффективных схем.
