Выпрямитель

редактировать

Электрическое устройство, преобразующее переменный ток в постоянный

Выпрямительный диод (выпрямитель с кремниевым управлением ) и соответствующее монтажное оборудование. Тяжелая шпилька с резьбой прикрепляет устройство к радиатору для рассеивания тепла.

A выпрямитель - это электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC), который периодически меняет направление на постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Обратное действие выполняется инвертором .

. Этот процесс известен как выпрямление, поскольку он «выравнивает» направление тока. Физически выпрямители имеют несколько форм, в том числе ламповые диоды, химические элементы с жидким химическим составом, ртутно-дуговые клапаны, пакеты пластин из меди и оксида селена, полупроводниковые диоды, выпрямители с кремниевым управлением и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и двигатели. В ранних радиоприемниках, называемых кристаллическими радиоприемниками, использовался «кошачий ус » из тонкой проволоки, прижимавшейся к кристаллу галенита (сульфид свинца) в качестве точки. -контактный выпрямитель или «кристаллический детектор».

Выпрямители имеют множество применений, но часто используются в качестве компонентов систем электропередачи постоянного тока и постоянного тока высокого напряжения. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерирования постоянного тока для использования в качестве источника энергии. Как отмечено, детекторы сигналов радио служат в качестве выпрямителей. В системах газового отопления выпрямление пламени используется для обнаружения наличия пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения однородного устойчивого напряжения. Для многих применений выпрямителей, таких как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуется постоянное постоянное напряжение (которое вырабатывается батареей ). В этих приложениях выходной сигнал выпрямителя сглаживается электронным фильтром, который может быть конденсатором , дросселем или набором конденсаторов, дросселей и резисторы, за которыми, возможно, следует стабилизатор напряжения для создания постоянного напряжения.

Более сложная схема, выполняющая противоположную функцию, то есть преобразование постоянного тока в переменный, называется инвертором.

Содержание

1 Выпрямительные устройства
2 Выпрямительные схемы
- 2.1 Одиночные -фазные выпрямители
  - 2.1.1 Полупериодное выпрямление
  - 2.1.2 Двухполупериодное выпрямление
- 2.2 Трехфазные выпрямители
  - 2.2.1 Трехфазная полуволновая схема
  - 2.2. 2 Трехфазная двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом
  - 2.2.3 Неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель
  - 2.2.4 Трехфазный мостовой выпрямитель с управлением
  - 2.2.5 Двенадцатиимпульсный мост
- 2.3 Умножающие напряжение выпрямители
3 Количественное определение выпрямителей
- 3.1 Коэффициент преобразования
- 3.2 Коэффициент использования трансформатора
4 Падение напряжения выпрямителя
5 Гармонические искажения
6 Сглаживание выхода выпрямителя
- 6.1 Характеристики с источником с низким сопротивлением
- 6.2 Входной фильтр конденсатора
- 6.3 Входной фильтр дросселя
- 6.4 Резистор в качестве входного фильтра
- 6.5 Фильтры высшего порядка и каскадные фильтры
- 6.6 Регуляторы напряжения
7 Применения
8 Технологии выпрямления
- 8.1 Электромеханический
  - 8.1.1 Синхронный выпрямитель
  - 8.1.2 Вибрационный выпрямитель
  - 8.1.3 Мотор-генераторная установка
- 8.2 Электролитическая
- 8.3 Тип плазмы
  - 8.3.1 Ртуть-дуга
  - 8.3.2 Электронная трубка на газообразном аргоне
- 8.4 Диодная вакуумная трубка (клапан)
- 8.5 Твердотельный
  - 8.5.1 Кристаллический детектор
  - 8.5.2 Селен и Выпрямители из оксида меди
  - 8.5.3 Кремниевые и германиевые диоды
  - 8.5.4 Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения
  - 8.5.5 Активный выпрямитель
9 Текущие исследования
10 См. Также
11 Ссылки

Выпрямительные устройства

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей, ламповые термоэлектронные диоды и металл на основе оксида меди или селена выпрямительные блоки. С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов лампового аудиооборудования. Для выпрямления мощности от очень слабого до очень большого тока широко используются полупроводниковые диоды различных типов (переходные диоды, диоды Шоттки и т. Д.).

Другие устройства, которые имеют управляющие электроды, а также действуют как клапаны однонаправленного тока, используются там, где требуется нечто большее, чем простое выпрямление, например, когда требуется переменное выходное напряжение. В выпрямителях большой мощности, таких как те, которые используются в передаче энергии постоянного тока высокого напряжения, используются кремниевые полупроводниковые устройства различных типов. Это тиристоры или другие твердотельные переключатели с управляемым переключением, которые эффективно работают как диоды, пропускающие ток только в одном направлении.

Цепи выпрямителя

Цепи выпрямителя могут быть однофазными или многофазными. Большинство выпрямителей малой мощности для домашнего оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных приложений и для передачи энергии в виде постоянного тока (HVDC).

Однофазные выпрямители

Однополупериодное выпрямление

При однополупериодном выпрямлении однофазного источника питания проходит либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока., а другая половина заблокирована. Математически это ступенчатая функция (для положительного прохода, отрицательный блок): положительный проход соответствует функции линейного изменения, являющейся тождественной на положительных входах, отрицательная блокировка соответствует нулю на отрицательных входах. Поскольку только одна половина входного сигнала достигает выхода, среднее напряжение ниже. Для однополупериодного выпрямления требуется один диод в однофазном питании или три в трехфазном питании. Выпрямители вырабатывают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; Полуполупериодные выпрямители производят гораздо больше пульсаций, чем двухполупериодные выпрямители, и для устранения гармоник частоты переменного тока на выходе требуется гораздо больше фильтрации.

Полупериодный выпрямитель

Выходное постоянное напряжение холостого хода идеального полуволнового выпрямителя для синусоидального входного напряжения составляет:

V rms = V пиковое 2 V dc = V пиковое π {\ displaystyle { \ begin {align} V _ {\ mathrm {rms}} = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {2}} \\ [8pt] V _ {\ mathrm {dc}} = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ end {align}}}

{\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}

где:

Vdc, V av - постоянное или среднее выходное напряжение,

Vпиковое, пиковое значение фазных входных напряжений,

Vдействующее значение, среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение) выходного напряжения.

Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель с вакуумной трубкой, имеющей два анода.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю входную форму волны в одну с постоянной полярностью (положительной или отрицательной) на выходе. Математически это соответствует функции абсолютного значения. Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входной волны в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и дает более высокое среднее выходное напряжение. Требуются два диода и трансформатор с центральным ответвлением или четыре диода в конфигурации моста и любой источник переменного тока (включая трансформатор без центрального ответвления). Одинарные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом, а также четырех- или шести- диодные мосты изготавливаются как отдельные компоненты.

Мостовой выпрямитель Гретца: двухполупериодный выпрямитель с использованием четырех диодов.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор с центральным отводом, тогда два диода, соединенные спиной друг к другу (катод-катод или анод- к аноду, в зависимости от требуемой выходной полярности) может образовывать двухполупериодный выпрямитель. Для получения того же выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора требуется в два раза больше витков, чем для мостового выпрямителя, но номинальная мощность остается неизменной.

Двухполупериодный выпрямитель с трансформатором с центральным ответвлением и 2 диодами.

Среднее и среднеквадратичное выходное напряжение холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя являются:

V dc = V av = 2 ⋅ V пиковое π V rms = V пиковое 2 {\ displaystyle {\ begin {align} V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \\ [8pt] V _ {\ mathrm {rms}} = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} { \ sqrt {2}}} \ end {align}}}

{\ displaystyle {\ begin {выровнено} V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {2\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}}

Очень распространенный двухдиодный выпрямитель электронные лампы содержит один общий катод и два анода внутри единого конверта, обеспечивая двухполупериодное выпрямление с положительным выходом. 5U4 и 80 / 5Y3 (4-контактный) / (восьмеричный) были популярными примерами этой конфигурации.

Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются для источников питания для бытового оборудования. Однако для большинства промышленных и мощных применений трехфазные выпрямительные схемы являются нормой. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму полуволновой схемы, двухполупериодной схемы с использованием трансформатора с центральным отводом или двухполупериодной мостовой схемы.

Тиристоры обычно используются вместо диодов для создания схемы, которая может регулировать выходное напряжение. Многие устройства, обеспечивающие постоянный ток, фактически генерируют трехфазный переменный ток. Например, автомобильный генератор содержит шесть диодов, которые работают как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

Трехфазная полуволновая схема

Управляемая трехфазная полуволновая схема выпрямителя с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Неконтролируемая трехфазная Для полуволновой средней цепи требуется три диода, по одному на каждую фазу. Это самый простой тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высоких гармонических искажений как на соединениях переменного, так и постоянного тока. Считается, что этот тип выпрямителя имеет количество импульсов, равное трем, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса за цикл частоты сети:

Пиковые значения $Пик V {\ displaystyle V_ { \ mathrm {peak}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}$ этого трехимпульсного напряжения постоянного тока вычисляется из среднеквадратичного значения $VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$ $V_{\mathrm {LN} }$ входное фазное напряжение (напряжение между фазой и нейтралью, 120 В в Северной Америке, 230 В в Европе при работе от сети): $Пик В = 2 ⋅ VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}} = {\ sqrt {2 }} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}}$ $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ . Среднее выходное напряжение без нагрузки $V av {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}}}$ $V_{\mathrm {av} }$ получается из интеграла под графиком положительной полуволны с длительность периода $2 3 π {\ displaystyle {\ frac {2} {3}} \ pi}$ ${\ displaystyle {\ frac {2} {3}} \ pi}$ (от 30 ° до 150 °):

V dc = V av = 1 2 3 π ∫ 30 ∘ 150 ∘ V пик ⋅ sin ⁡ φ ⋅ d φ = 3 ⋅ V пик 2 π ⋅ (- cos ⁡ 150 ∘ + cos ⁡ 30 ∘) = 3 ⋅ V пик 2 π ⋅ [- (- 3 2) + 3 2] = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик 2 π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {1} {{\ frac {2} {3}} \ pi}} \ int _ {30 ^ {\ circ}} ^ {150 ^ {\ circ}} V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot \ sin \ varphi \ cdot \ mathrm {d} \ varphi = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot \ left (- \ cos 150 ^ {\ circ} + \ cos 30 ^ {\ circ} \ right) = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} \ справа) + {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {1} {{\ frac {2} {3}} \ pi}} \ int _ {30 ^ {\ circ}} ^ {150 ^ {\ circ}} V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot \ sin \ varphi \ cdot \ mathrm {d} \ varphi = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot \ left (- \ cos 150 ^ {\ circ} + \ cos 30 ^ {\ circ} \ right) = {\ frac { 3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} \ right) + {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

⇒

V dc = V av = 3 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ VLN 2 π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc }} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi }}}

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}

⇒

V av = 3 ⋅ 6 ⋅ VLN 2 π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN }}} {2 \ pi}}}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN }}} {2 \ pi}}}

≈ 1,17 ⋅

VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}

V_{\mathrm {LN} }

Трехфазная двухполупериодная схема с использованием центра трансформатор с отводом

Управляемая трехфазная двухполупериодная схема выпрямителя с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов, с трансформатором с центральным отводом, без учета индуктивности питания

Если питание переменного тока подается через трансформатор с центральным отводом можно получить схему выпрямителя с улучшенными характеристиками гармоник. Для этого выпрямителя теперь требуется шесть диодов, по одному на каждом конце каждой вторичной обмотки трансформатора. Эта схема имеет шесть импульсов, и, по сути, ее можно рассматривать как шестифазную полуволновую схему.

До того, как стали доступны твердотельные устройства, полуволновая схема и двухполупериодная цепь с использованием трансформатора с центральным отводом очень часто использовались в промышленных выпрямителях, использующих ртуть. дуговые клапаны. Это было связано с тем, что три или шесть входов источника питания переменного тока можно было подавать на соответствующее количество анодных электродов на одном резервуаре, используя общий катод.

С появлением диодов и тиристоров эти схемы стали менее популярными, а трехфазная мостовая схема стала наиболее распространенной схемой.

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый

Разобранный автомобильный генератор переменного тока, показаны шесть диодов, составляющих двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

Для неуправляемого трехфазного мостовой выпрямитель, используются шесть диодов, и схема снова имеет число импульсов шесть. По этой причине его также обычно называют шестипульсным мостом. В упрощенном виде схему B6 можно рассматривать как последовательное соединение двух трехпульсных центральных цепей.

Для приложений с низким энергопотреблением двойные диоды, соединенные последовательно, с анодом первого диода, соединенным с катодом второго, изготавливаются для этой цели как единый компонент. У некоторых имеющихся в продаже двойных диодов есть все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.

Для приложений с большей мощностью обычно используется одно дискретное устройство для каждого из шести плеч моста. Для самых высоких мощностей каждое плечо моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств, включенных параллельно (где требуется очень большой ток, например, при выплавке алюминия ) или последовательно (где очень высокие напряжения необходимы, например, в высоковольтной передаче постоянного тока ).

Управляемая трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя (B6C) с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания. Тиристоры пульсируют в порядке V1 – V6.

Пульсирующее напряжение постоянного тока возникает в результате разницы мгновенных положительных и отрицательных фазных напряжений $VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$ $V_{\mathrm {LN} }$ , сдвинутый по фазе на 30 °:

Идеальное среднее выходное напряжение без нагрузки $V av {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}}}$ $V_{\mathrm {av} }$ схемы B6 является результатом интеграл под графиком импульса постоянного напряжения с длительностью периода $1 3 π {\ displaystyle {\ frac {1} {3}} \ pi}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {3}} \ pi}$ (от 60 ° до 120 °) с пиковым значением $v ^ DC = 3 ⋅ V peak {\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {DC}} = {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak} }}$ ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ :

V dc = V av = 1 1 3 π ∫ 60 ∘ 120 ∘ 3 ⋅ V пик ⋅ sin ⁡ φ ⋅ d φ = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик π ⋅ (- cos ⁡ 120 ∘ + cos ⁡ 60 ∘) = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик π ⋅ [- (- 1 2) + 1 2] = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {1} {{\ frac {1} {3}} \ pi}} \ int _ {60 ^ {\ circ}} ^ {120 ^ {\ circ}} {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {пик}} \ cdot \ sin \ varphi \ cdot \ mathrm {d} \ varphi = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot \ left (- \ cos 120 ^ {\ circ} + \ cos 60 ^ {\ circ} \ right) = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi} } \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {1} {2}} \ right) + {\ frac {1} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}}}

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi ={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}

⇒

V dc = V av = 3 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ VLN π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc }} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi} }}

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}

⇒

V av = 3 ⋅ 6 ⋅ VLN π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}} } {\ pi}}}

V_{\mathrm {av} }={\frac {3\cdot {\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}

≈ 2,34 ⋅

VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}

V_{\mathrm {LN} }

Вход трехфазного переменного тока, полуволновой и двухполупериодный выпрямленные формы выходных сигналов постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное, так и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) противоположна ce В первой точке трансформатора (или нейтральном проводе) имеется разность потенциалов в виде треугольного синфазного напряжения. По этой причине эти два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, иначе могут протекать токи короткого замыкания. Таким образом, земля трехфазного мостового выпрямителя при симметричном режиме работы развязана от нейтрального проводника или земли сетевого напряжения. При питании от трансформатора возможно заземление центральной точки моста при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети, а нейтраль вторичной обмотки не находится на земле. Однако в этом случае (пренебрежимо малые) токи утечки протекают по обмоткам трансформатора.

Синфазное напряжение формируется из соответствующих средних значений разностей между положительным и отрицательным фазными напряжениями, которые образуют пульсирующее напряжение постоянного тока. Пиковое значение дельта-напряжения $v ^ common - mode {\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}}}$ ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ составляет ¼ пикового значения фазное входное напряжение $V пиковое {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}$ и рассчитывается с помощью $V peak {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}$ минус половина напряжения постоянного тока при 60 ° периода:

v ^ common - mode = V пиковое - 3 ⋅ V пиковое ⋅ sin ⁡ 60 ∘ 2 = V пиковое ⋅ (1-3 ⋅ sin ⁡ 60 ∘ 2) {\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}} = V _ {\ mathrm {peak}} - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {пик}} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} = V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot {\ Biggl (} 1 - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} {\ Biggl)}}

{\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}} = V _ {\ mathrm {peak}} - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} = V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot {\ Biggl (} 1 - {\ frac {{\ sqrt {3) }} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} {\ Biggl)}}

V-пик {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}}

· 0,25

Среднеквадратичное значение синфазного напряжения рассчитывается из форм-фактора для треугольных колебаний:

V common - mode = v ^ common - mode 3 {\ displaystyle V _ {\ mathrm {common -mode}} = {\ frac {{\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}}} {\ sqrt {3}}}}

V_{\mathrm {common-mode} }={\frac {{\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }}{\sqrt {3}}}

Если схема работает асимметрично (как простой источник питания напряжение только с одним положительным полюсом), как положительный, так и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительной и отрицательной формам фазных напряжений. Однако различия в фазных напряжениях приводят к шестиимпульсному постоянному напряжению (в течение периода). Строгое отделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применимы, соответственно, к симметричной работе.

Трехфазный мостовой выпрямитель, управляемый

Управляемый трехфазный мостовой выпрямитель использует тиристоры вместо диодов. Выходное напряжение уменьшается на коэффициент cos (α):

V dc = V av = 3 ⋅ 3 ⋅ V пиковое π ⋅ cos ⁡ α {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm { av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

Или, выраженное через линейное входное напряжение:

V dc = V av = 3 ⋅ VLL пик π ⋅ cos ⁡ α {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac { 3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha }

Где:

VLLpeak, пиковое значение линейного входного напряжения,

Vпиковое, пиковое значение фазных входных напряжений (между фазой и нейтралью),

α, угол включения тиристора (0, если для выпрямления используются диоды)

Приведенные выше уравнения являются действительно только тогда, когда ток не потребляется от источника переменного тока или в теорете Типичный случай, когда соединения питания переменного тока не имеют индуктивности. На практике индуктивность источника питания вызывает уменьшение выходного напряжения постоянного тока с увеличением нагрузки, обычно в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.

Эффект индуктивности питания заключается в замедлении процесса перехода (называемого коммутацией) от одной фазы к другой. В результате при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства в мосте проводят одновременно. Угол перекрытия обычно обозначается символом μ (или u) и может составлять 20–30 ° при полной нагрузке.

С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя уменьшается до:

V dc = V av = 3 ⋅ VLL пик π ⋅ cos ⁡ (α + μ) {\ displaystyle V_ { \ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha + \ mu)}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha + \ mu)}

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение может быть переформулировано следующим образом:

V dc = V av = 3 ⋅ VLL пик π ⋅ cos ⁡ (α) - 6 f L c Я d {\ displaystyle {V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos ( \ alpha)} - {6fL _ {\ mathrm {c}} I _ {\ mathrm {d}}}}

{V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3\cdot V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha)}-{6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}

Где:

Lc, коммутирующая индуктивность на фазу

Id, постоянный ток

Три- фазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° без перекрытия

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° с углом перекрытия 20 °

Трехфазный управляемый мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 20 ° с углом перекрытия 20 °

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 40 ° с углом перекрытия 20 °

Двенадцатиимпульсный мост

Двенадцатиимпульсный мостовой выпрямитель, использующий тиристоры в качестве переключающих элементов. Один шестиимпульсный мост состоит из тиристоров с четными номерами, другой - из набора с нечетными номерами.

Хотя схемы шестиимпульсных выпрямителей лучше, чем однофазные выпрямители или трехфазные полуволновые выпрямители, все же они создают значительные гармоники. искажения на соединениях переменного и постоянного тока. Для выпрямителей очень большой мощности обычно используется двенадцатипульсное мостовое соединение. Двенадцатиимпульсный мост состоит из двух шестиимпульсных мостовых схем, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от трансформатора питания, который обеспечивает сдвиг фазы на 30 ° между двумя мостами. Это подавляет многие характерные гармоники, которые создают шестиимпульсные мосты.

Фазовый сдвиг на 30 градусов обычно достигается за счет использования трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток: один соединен звездой (звездой), а другой - треугольником.

Выпрямители с умножением напряжения

Переключаемый полный мост / удвоитель напряжения.

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодами, направленными в противоположных направлениях, одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другой подключает положительный вывод выхода напрямую к источнику переменного тока. Комбинируя оба этих параметра с отдельным сглаживанием выходного сигнала, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую схему в качестве источника питания с раздельной шиной.

Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два конденсатора последовательно для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установить переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока. При разомкнутом переключателе эта схема действует как обычный мостовой выпрямитель. Когда переключатель замкнут, он действует как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (± 15%, прибл.) Постоянного тока от любого источника питания 120 или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой импульсный источник питания. Однако для заданной желаемой пульсации емкость обоих конденсаторов должна быть вдвое больше, чем емкость одного, необходимого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выходной сигнал полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной, равной половине одного из них.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона

Для создания умножителя напряжения можно добавить каскадные диодные и конденсаторные каскады (схема Кокрофта-Уолтона ). Эти схемы способны создавать потенциал выходного постоянного напряжения, примерно в десять раз превышающий пиковое входное напряжение переменного тока, что на практике ограничивается токовой емкостью и проблемами регулирования напряжения. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве промежуточного каскада повышения или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, таких устройствах, как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, используемых в ЭЛТ основанные на телевидении, радиолокационных и гидролокаторных дисплеях), устройства усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), и радиочастотные (RF) устройства на основе магнетронов, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах. До появления полупроводниковой электроники в бестрансформаторных ламповых приемниках, питаемых непосредственно от сети переменного тока, иногда использовались удвоители напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока из линии электропередачи 100–120 В.

Количественная оценка выпрямителей

Для количественной оценки функции и производительности выпрямителей или их выходной мощности используются несколько коэффициентов, включая коэффициент использования трансформатора (TUF), коэффициент преобразования (η), коэффициент пульсации, форм-фактор и пик-фактор. Двумя основными показателями являются напряжение постоянного тока (или смещение) и пульсирующее напряжение пик-пик, которые являются составными компонентами выходного напряжения.

Коэффициент преобразования

Коэффициент преобразования (также называемый «коэффициент выпрямления» и, что сбивает с толку, «КПД») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной. питание от сети переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями это соотношение составляет менее 100%, потому что часть выходной мощности является мощностью переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсации, наложенной на форму сигнала постоянного тока. Отношение можно улучшить с помощью схем сглаживания, которые уменьшают пульсации и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе. Коэффициент преобразования уменьшается из-за потерь в обмотках трансформатора и рассеяния мощности в самом выпрямительном элементе. Это соотношение не имеет большого практического значения, потому что за выпрямителем почти всегда следует фильтр для увеличения постоянного напряжения и уменьшения пульсаций. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях коэффициент преобразования достаточно высок, и схемы сглаживания не нужны. В других схемах, таких как цепи нагревателя накала в электронике вакуумных ламп, где нагрузка почти полностью резистивная, схема сглаживания может быть опущена, потому что резисторы рассеивают как переменный, так и постоянный ток, поэтому мощность не теряется.

Для однополупериодного выпрямителя коэффициент очень скромный.

PAC = V пик 2 ⋅ I пик 2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

(делители равны 2, а не √2, потому что в отрицательном полупериоде мощность не поступает)

PDC = V пиковое π ⋅ I пиковое π {\ displaystyle P _ {\ mathrm { DC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}

P_{\mathrm {DC} }={V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over \pi }

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для полуволнового выпрямителя составляет,

η = PDCPAC ≈ 40,5% {\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 40,5 \%}

{\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm { DC}} \ над P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 40,5 \%}

Аналогично, для полной волновой выпрямитель,

PAC = V пик 2 ⋅ I пик 2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I_ {\ mathrm {пик}} \ over {\ sqrt {2}}}}

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}

PDC = 2 ⋅ V пик π ⋅ 2 ⋅ I пик π {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {2 \ cdot I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}

P_{\mathrm {DC} }={2\cdot V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {2\cdot I_{\mathrm {peak} } \over \pi }

η = PDCPAC ≈ 81,0% {\ displaystyle \ eta = {P_ {\ mathrm {DC}} \ ове r P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 81.0 \%}

\eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}\approx 81.0\%

Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные выпрямители, имеют гораздо более высокие коэффициенты преобразования, потому что пульсации по своей сути меньше.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя

PAC = 3 ⋅ V пиковое 2 ⋅ I пиковое 2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {пик}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}

{\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} }

PDC = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик 2 π ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ I пик 2 π {\ displaystyle P_ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

{\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sq rt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя

PAC = 3 ⋅ V, пик 2 2 I, пик 2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}}}

P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}

PDC = 3 ⋅ 3 ⋅ V пик π ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ I пик π {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3 }} \ cdot V _ {\ mathrm {пик}}} {\ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} }

P_{\mathrm {DC} }={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{\pi }}

Коэффициент использования трансформатора

Коэффициент использования трансформатора (TUF) схемы выпрямителя определяется как коэффициент имеющейся мощности постоянного тока. Сопротивление входного резистора должно соответствовать номинальному значению переменного тока выходной катушки трансформатора.

$T. U. F = P odc VA рейтингофтрансформатора {\ displaystyle TUF = {\ frac {P_ {odc}} {\ mathrm {VA \ rating \ of \ transformer}}}}$ $T.U.F={\frac {P_{odc}}{\mathrm {VA\ rating\ of\ transformer} }}$

$VA {\ displaystyle VA}$ $VA$ номинал трансформатора можно определить как: $VA = V rms I ˙ rms (F orsecondarycoil.) {\ Displaystyle VA = V _ {\ mathrm {rms}} {\ dot {I}} _ { \ mathrm {rms}} (\ mathrm {For \ secondary \ coil.})}$ $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }(\mathrm {For\ secondary\ coil.})$

Падение напряжения выпрямителя

Реальный выпрямитель обычно снижает часть входного напряжения (падение напряжения , для кремниевых устройств, как правило, 0,7 В плюс эквивалентное сопротивление, в целом нелинейное) - а на высоких частотах искажает формы сигналов иными способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую мощность.

Аспектом большей части выпрямления является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванная встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычного кремниевого p – n перехода диоды и 0,3 В для диодов Шоттки ). Полупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к падению пикового напряжения в одно падение на диоде. Мостовое выпрямление имеет потерю двух диодных падений. Это снижает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо выпрямить очень низкое переменное напряжение. Поскольку диоды не проводят ниже этого напряжения, схема пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений диода) появляются между каждым "горбом". ".

Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или меньше), но незначительны в высоковольтных приложениях, таких как системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения.

Гармонические искажения

Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, создают гармоники тока частоты источника на стороне переменного тока и гармоники напряжения частоты источника на стороне постоянного тока из-за поведения переключения.

Сглаживание выхода выпрямителя

Вход переменного тока (желтый) и выход постоянного тока (зеленый) полуволнового выпрямителя со сглаживающим конденсатором. Обратите внимание на пульсацию в сигнале постоянного тока.

Хотя полуволновое и двухполупериодное выпрямление обеспечивают однонаправленный ток, ни одно из них не дает постоянного напряжения. На частоте источника полуволнового выпрямителя присутствует большая составляющая пульсаций переменного тока , а для двухполупериодного выпрямителя - удвоенная частота источника. Напряжение пульсаций обычно указывается от пика до пика. Для создания постоянного постоянного тока из выпрямленного переменного тока требуется сглаживающая цепь или фильтр. В простейшей форме это может быть просто конденсатор (также называемый фильтром, резервуаром или сглаживающим конденсатором), дроссель, резистор, стабилитрон и резистор или регулятор напряжения, размещенный на выходе выпрямителя. На практике в большинстве сглаживающих фильтров используется несколько компонентов для эффективного снижения пульсации напряжения до уровня, допустимого для схемы.

Двухполупериодный диодно-мостовой выпрямитель с параллельным RC-шунтирующим фильтром

Конденсатор фильтра высвобождает свою накопленную энергию в течение той части цикла переменного тока, когда источник переменного тока не подает питание, то есть когда источник переменного тока изменяется его направление потока тока.

Характеристики с источником с низким импедансом

На приведенной выше диаграмме показаны характеристики коллектора от источника с почти нулевым импедансом , например, от сети. По мере увеличения напряжения выпрямителя он заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку. В конце четверти цикла конденсатор заряжается до своего пикового значения Vp напряжения выпрямителя. После этого напряжение выпрямителя начинает уменьшаться до минимального значения Vmin, когда оно входит в следующую четверть цикла. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку.

Размер конденсатора C определяется величиной допустимой пульсации r, где r = (Vp-Vmin) / Vp.

Эти цепи очень часто питаются от трансформаторы и имеют значительное сопротивление . Сопротивление трансформатора изменяет форму волны накопительного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и создает проблемы регулирования.

Входной фильтр конденсатора

Для данной нагрузки выбор сглаживающего конденсатора является компромиссом между снижением напряжения пульсаций и увеличением тока пульсаций. Пиковый ток определяется скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоиды, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора. Высокие токи пульсации увеличивают потери IR (в виде тепла) в обмотках конденсатора, выпрямителя и трансформатора и могут превышать допустимую нагрузку на компоненты или номинальную мощность трансформатора в ВА. Выпрямители с вакуумной трубкой определяют максимальную емкость входного конденсатора, а выпрямители с SS-диодами также имеют ограничения по току. Конденсаторам для этого приложения требуется низкое ESR, иначе ток пульсации может их перегреть. Чтобы ограничить пульсации напряжения заданным значением, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за цикл входа. Для двухполупериодного выпрямленного выхода требуется конденсатор меньшего размера, поскольку он вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выхода. Чтобы уменьшить пульсацию до удовлетворительного предела с помощью всего лишь одного конденсатора, часто требуется конденсатор непрактичного размера. Это связано с тем, что номинальный ток пульсации конденсатора не увеличивается линейно с размером, а также могут быть ограничения по высоте. Для приложений с большим током вместо них используются батареи конденсаторов.

Входной фильтр дросселя

Также можно поместить выпрямленный сигнал в a. Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не импульсами на пиках переменного напряжения каждый полупериод, как в конденсаторном входном фильтре. Недостатком является то, что выходное напряжение намного ниже - среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое; это примерно 90% от среднеквадратичного напряжения по сравнению с $2 {\ displaystyle {\ sqrt {2}}}$ ${\sqrt {2}}$ , умноженным на действующее значение напряжения (без нагрузки) для конденсаторного входного фильтра. Это смещение обеспечивает превосходное регулирование напряжения и более высокий доступный ток, что снижает пиковое напряжение и ток пульсации, требуемый для компонентов источника питания. Катушки индуктивности требуют сердечников из железа или других магнитных материалов, что увеличивает их вес и размер. Поэтому их использование в источниках питания для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения.

Резистор в качестве входного фильтра

В случаях, когда пульсации напряжения незначительны, например, в зарядных устройствах батарей, Входной фильтр может быть одним последовательным резистором для регулировки выходного напряжения до требуемого для схемы. Резистор пропорционально снижает как выходное напряжение, так и пульсации напряжения. Недостатком входного фильтра резистора является то, что он потребляет мощность в виде отработанного тепла, которое недоступно для нагрузки, поэтому он используется только в слаботочных цепях.

Фильтры высшего порядка и каскадные фильтры

Для дальнейшего уменьшения пульсаций за начальным фильтрующим элементом могут быть установлены дополнительные элементы переменного последовательного и шунтирующего фильтров или регулятор напряжения. Компоненты последовательного фильтра могут быть резисторами или дросселями; шунтирующие элементы могут быть резисторами или конденсаторами. Фильтр может повышать напряжение постоянного тока, а также уменьшать пульсации. Фильтры часто состоят из пар последовательно соединенных / шунтирующих компонентов, называемых RC (последовательный резистор, шунтирующий конденсатор) или LC (последовательный дроссель, шунтирующий конденсатор). Две общие геометрии фильтров известны как фильтры Pi (конденсатор, дроссель, конденсатор) и T (дроссель, конденсатор, дроссель). Иногда последовательными элементами являются резисторы - потому что резисторы меньше и дешевле - когда более низкий выход постоянного тока желателен или допустим. Другой вид фильтра с особой геометрией - это дроссельный или настраиваемый фильтр. В отличие от других конфигураций фильтров, которые представляют собой фильтры нижних частот, резонансный дроссельный фильтр является полосовым фильтром: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, который резонирует с частотой пульсации напряжения, обеспечивая очень высокий импеданс пульсации.. За ним может следовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Стабилизаторы напряжения

Более распространенной альтернативой дополнительным компонентам фильтра, если нагрузка постоянного тока требует очень низких пульсаций напряжения, является установка регулятора напряжения после входного фильтра. Стабилизатор напряжения работает по другому принципу, чем фильтр, который, по сути, представляет собой делитель напряжения, который шунтирует напряжение с частотой пульсаций от нагрузки. Скорее, регулятор увеличивает или уменьшает ток, подаваемый на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Простой пассивный шунтирующий регулятор напряжения может состоять из последовательного резистора для понижения напряжения источника до необходимого уровня и шунта стабилитрона с обратным напряжением, равным установленному напряжению. При повышении входного напряжения диод сбрасывает ток, чтобы поддерживать заданное выходное напряжение. Этот тип регулятора обычно используется только в цепях низкого напряжения и тока, поскольку стабилитроны имеют ограничения как по напряжению, так и по току. Еще он очень неэффективен, поскольку сбрасывает лишний ток, недоступный нагрузке.

Более эффективной альтернативой шунтирующему регулятору напряжения является схема активного регулятора напряжения. Активный регулятор использует реактивные компоненты для хранения и разряда энергии, так что большая часть или весь ток, подаваемый выпрямителем, передается на нагрузку. Он также может использовать отрицательную и положительную обратную связь в сочетании, по крайней мере, с одним элементом усиления напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения при падении напряжения источника. Входной фильтр должен предотвращать падение пульсаций ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для получения требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для устранения колебаний характеристик питания и нагрузки.

Приложения

Основное применение выпрямителей - получение энергии постоянного тока от источника переменного тока (преобразователь переменного тока в постоянный). Выпрямители используются в блоках питания практически всего электронного оборудования. Источники питания переменного / постоянного тока можно в общих чертах разделить на линейные источники и импульсные источники питания. В таких источниках питания выпрямитель будет включен последовательно за трансформатором, за ним будет следовать сглаживающий фильтр и, возможно, регулятор напряжения.

Преобразование постоянного тока из одного напряжения в другое намного сложнее. Один метод преобразования постоянного тока в постоянный сначала преобразует мощность в переменный ток (с использованием устройства, называемого инвертором ), затем использует трансформатор для изменения напряжения и, наконец, выпрямляет мощность обратно в постоянный ток. Обычно используется частота в несколько десятков килогерц, поскольку для этого требуется гораздо меньшая индуктивность, чем на более низких частотах, и исключается использование тяжелых, громоздких и дорогих устройств с железным сердечником. Другой метод преобразование постоянного напряжения использует накачку заряда, использующую быстрое переключение для изменения соединений конденсаторов; этот метод обычно ограничен мощностью до пары ватт из-за размера требуемых конденсаторов.

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Выпрямители также используются для обнаружения радиосигналов с амплитудной модуляцией. Перед обнаружением сигнал может быть усилен. В противном случае необходимо использовать диод с очень низким падением напряжения или диод с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции необходимо тщательно согласовать сопротивление конденсатора и нагрузки: слишком низкая емкость заставляет высокочастотную несущую проходить на выход, а слишком высокая заставляет конденсатор просто заряжаться и оставаться заряженным.

Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварки. В таких схемах требуется контроль выходного тока; Иногда это достигается заменой некоторых диодов в мостовом выпрямителе на тиристоры, то есть диоды, выходное напряжение которых можно регулировать путем включения и выключения с помощью контроллеров с фазным возбуждением.

Тиристоры используются в системах рельсов подвижного состава различных классов, чтобы можно было добиться точного управления тяговыми двигателями. Запорные тиристоры используются для выработки переменного тока от источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей.

Технологии выпрямления

Электромеханические

Примерно до 1905 года, когда были разработаны ламповые выпрямители, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию. В механических выпрямителях использовалась некоторая форма вращения или резонансной вибрации, приводимой в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.

Эти механические выпрямители были шумными и требовали больших затрат на обслуживание. Подвижные части имели трение, которое требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разъедали контакты. Они также не смогли обработать переменный ток частот выше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в соответствии с частотой переменного тока и периодически меняет местами подключения к нагрузке в тот момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Контакты не должны коммутировать большой ток, но они должны иметь возможность проводить большой ток для питания тяговых двигателей локомотива постоянного тока .

Вибрационный выпрямитель

A вибратор зарядное устройство с 1922 года. 6 А постоянного тока при 6 В для зарядки автомобильных аккумуляторов.

Они состояли из резонансного язычка, вибрирующего переменным магнитным полем, создаваемого электромагнитом переменного тока , с контактами, которые меняли направление направление тока на отрицательные полупериоды. Они использовались в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства, для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое использование было в источниках питания от батарей для портативных радиоприемников на электронных лампах, чтобы обеспечить высокое постоянное напряжение для ламп. Они работали как механическая версия современных полупроводниковых переключающих преобразователей инверторов, с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного разрыва цепи. Постоянный ток батареи для создания пульсирующего переменного тока для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе выпрямляет высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного тока.

Мотор-генераторная установка

Небольшая мотор-генераторная установка

Мотор-генераторная установка или аналогичный роторный преобразователь, строго говоря, не является выпрямителем, поскольку он фактически не выпрямляет ток, а генерирует постоянный ток из Источник переменного тока. В «наборе M-G» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока . Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своих обмотках якоря, которые коммутатор на валу якоря преобразует в выходной сигнал постоянного тока; или униполярный генератор производит постоянный ток без необходимости в коммутаторе. Наборы MG полезны для производства постоянного тока для тяговых двигателей железных дорог, промышленных двигателей и других сильноточных приложений, и были распространены во многих источниках постоянного тока большой мощности (например, в проекторах угольно-дуговых ламп для уличных кинотеатров) до того, как стали применяться мощные полупроводники. широко доступный.

Электролитический

Электролитический выпрямитель был устройством начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельная версия проиллюстрирована в книге «Мальчик-механик» 1913 года, но она подходит для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током. Более сложное устройство такого типа было запатентовано GW Carpenter в 1928 году (патент США 1671970).

Когда два разных металла суспендированы в растворе электролита, постоянный ток, протекающий в одном направлении через раствор, вызывает меньшее сопротивление, чем в другое направление. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата аммония.

Выпрямляющее действие происходит из-за тонкого покрытия из гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, образованного путем сначала подачи сильного тока на элемент для создания покрытия. Процесс ректификации чувствителен к температуре и для достижения максимальной эффективности не должен работать при температуре выше 86 ° F (30 ° C). Также существует напряжение пробоя, где происходит проникновение в покрытие и происходит короткое замыкание ячейки. Электрохимические методы часто более хрупки, чем механические, и могут быть чувствительны к вариациям в использовании, которые могут резко изменить или полностью нарушить процессы ректификации.

Подобные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху путем подвешивания многих алюминиевых конусов в резервуаре с раствором ортофосфата аммония. В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды, которые использовались на переменном токе, не было поляризации и, следовательно, никакого выпрямительного действия, но химический состав был аналогичным.

Современный электролитический конденсатор, Важный компонент большинства схем выпрямителя также был разработан на основе электролитического выпрямителя.

Тип плазмы

Развитие технологии ламп в начале 20 века привело к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные, неэффективные механические выпрямители.

Mercury-arc

Ранняя трехфазная промышленная выпрямительная трубка на парах ртути

150 кВ ртутно-дуговый клапан на электростанции Manitoba Hydro, Radisson, Канада преобразовала переменный ток гидроэнергетики в постоянный ток для передачи в отдаленные города.

Выпрямитель, который использовался в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке в период с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговый выпрямитель. или ртутно-дуговый клапан. Устройство заключено в стеклянный сосуд с луковицей или большую металлическую ванну. Один электрод, катод, погружен в лужу жидкой ртути на дне емкости, а один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами, подвешены над бассейном. Для зажигания и поддержания дуги может быть несколько вспомогательных электродов. Когда между катодной ванной и подвешенными анодами возникает электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог выпрямление пламени, в котором используются те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).

Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть сконструированы для обработки от одной до шести фаз переменного тока. Ртутно-дуговые выпрямители были заменены кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями и мощными тиристорными схемами в середине 1970-х годов. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в проекте Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC с суммарной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ.

Аргон газовая электронная лампа

лампы Tungar с 1917 года, 2 ампера (слева) и 6 ампер

Выпрямитель General Electric Tungar был ртутным паром (например, 5B24) или аргон (пример: 328) газонаполненное электронное ламповое устройство с катодом из вольфрамовой нити и угольным анодом. Он работал так же, как термоэмиссионный диод на вакуумной трубке, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее падение прямого напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных устройств с 1920-х годов до тех пор, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители, а позже и полупроводниковые диоды. Они были сделаны на напряжение до нескольких сотен вольт и несколько ампер, и в некоторых размерах сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 представлял собой газонаполненную выпрямительную трубку, обычно используемую в автомобильных радиоприемниках на электронных лампах в 1940-х и 1950-х годах. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но она была уникальна тем, что не имела нити накала (отсюда «0» в ее типовом номере). Электроды имели такую форму, чтобы напряжение обратного пробоя было намного выше, чем напряжение прямого пробоя. Как только напряжение пробоя было превышено, 0Z4 переключался в состояние с низким сопротивлением с прямым падением напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная трубка (клапан)

вакуумные ламповые диоды

термоэлектронные ламповый диод, первоначально называвшийся клапан Флеминга, был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году в качестве детектора радиоволн в радиоприемниках и эволюционировал. в общий выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала, нагреваемой отдельным током, и металлической пластины анода. Нить накала испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), обнаруженной Томасом Эдисоном в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от нити к пластине. Поскольку только нить накала генерирует электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.

Выпрямители с термоэлектронными диодами широко использовались в источниках питания в электронных устройствах с электронными лампами, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например, радиоприемник All American Five, для обеспечения высокого Напряжение на пластине постоянного тока, необходимое для других электронных ламп. Двухполупериодные версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя. Выпрямители с вакуумной трубкой были изготовлены для очень высоких напряжений, например, высоковольтный источник питания для электронно-лучевой трубки в телевизионных приемниках и кенотрон, используемый для питания в X -ray оборудование. Однако, по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за пространственного заряда и, следовательно, высокие падения напряжения, вызывающие высокое рассеивание мощности и низкий КПД. Они редко могут выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности на пластинах, и не могут использоваться для низковольтных устройств, таких как зарядные устройства. Еще одно ограничение вакуумного лампового выпрямителя состоит в том, что для источника питания нагревателя часто требуются специальные устройства для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.

Твердотельный

Кристаллический детектор

Детектор вискеров Галенита

Кристаллический детектор был первым типом полупроводниковых диодов. Изобрел Джагадиш Чандра Бос и разработал Г. У. Пикард, начиная с 1902 г., это было значительное улучшение по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер. Кристаллический детектор широко использовался до появления электронных ламп. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором кошачьих усов, состоит из кристалла какого-то полупроводникового минерала, обычно галенита (сульфида свинца), с легкая пружинящая проволока касается ее поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая нагрузка сделали его непригодным для источников питания. В 1930-х годах исследователи миниатюризировали и улучшили кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах.

Выпрямители из оксида селена и меди

Выпрямитель из селена

Когда-то широко использовавшиеся, пока в 1970-х годах их не заменили более компактные и менее дорогие кремниевые твердотельные выпрямители, в этих устройствах использовались пакеты металлических пластин с оксидным покрытием и полупроводниковые свойства селена или оксида меди. Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньшую мощность, чем сопоставимые ламповые выпрямители, они обладали недостатком в виде конечного срока службы, увеличения сопротивления с возрастом и подходили для использования только на низких частотах. Выпрямители из оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные скачки напряжения, чем кремниевые выпрямители.

Обычно эти выпрямители состояли из пакетов металлических пластин или шайб, удерживаемых вместе центральным болтом, причем количество пакетов определялось напряжением; каждая ячейка была рассчитана примерно на 20 В. Выпрямитель автомобильного зарядного устройства мог иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной лампы мог иметь десятки уложенных друг на друга пластин. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

Кремниевые и германиевые диоды

Разнообразные кремниевые диоды с разными номинальными токами. Слева мостовой выпрямитель. На трех центральных диодах окрашенная полоса обозначает катодный вывод

. Кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили другие выпрямители. Благодаря значительно более низкому прямому напряжению (0,3 В по сравнению с 0,7 В для кремниевых диодов) германиевые диоды имеют неотъемлемое преимущество перед кремниевыми диодами в цепях низкого напряжения.

Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые преобразователи напряжения на основе кремния

Два из трех блоков тиристорных вентилей большой мощности, используемых для передачи энергии на большие расстояния от плотин Manitoba Hydro. Сравните с ртутно-дуговой системой из той же плотины, приведенной выше.

В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 год большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены пакетами очень мощных тиристоров, кремниевые устройства с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В системах передачи средней мощности, даже более сложные и изощренные кремниевые полупроводниковые выпрямительные системы с источником напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с выключением затвора (GTO), сделали меньшие системы передачи энергии постоянного тока высоковольтным током экономичными. Все эти устройства работают как выпрямители.

По состоянию на 2009 год ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называются интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будет увеличена номинальная мощность до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые системы выпрямления переменного тока на основе тиристоров для приложений постоянного тока с самой высокой мощностью передачи.

Активный выпрямитель

Падение напряжения через диод и полевой МОП-транзистор. Низкое сопротивление в открытом состоянии MOSFET снижает омические потери по сравнению с диодным выпрямителем (в данном случае ниже 32 А), который демонстрирует значительное падение напряжения даже при очень низких уровнях тока. Параллельное соединение двух полевых МОП-транзисторов (розовая кривая) дополнительно снижает потери, в то время как параллельное соединение нескольких диодов не приведет к значительному снижению прямого падения напряжения.

Активное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов с активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы, обычно силовые полевые МОП-транзисторы или силовые BJT. В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители ведут себя как сопротивление и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Исторически переключатели с приводом от вибратора или переключатели с приводом от двигателя также использовались для механических выпрямителей и синхронного выпрямления.

Активное выпрямление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затемнением при минимальных потерях мощности.

Текущие исследования

Основной областью исследований является разработка высокочастотных выпрямителей, которые могут преобразовывать в терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются в оптическом гетеродинном обнаружении, который имеет множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах. Другое перспективное применение таких устройств - прямое выпрямление световых волн, улавливаемых крошечными антеннами, называемыми нантеннами, для выработки электроэнергии постоянного тока. Считается, что антенные решетки могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии, чем солнечных элементов.

. Связанная с этим область исследований заключается в разработке выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частота среза. В рамках исследовательских проектов делается попытка разработать мономолекулярный выпрямитель, единственную органическую молекулу, которая могла бы функционировать как выпрямитель.

См. Также

На Викискладе есть материалы, связанные с выпрямителями.

адаптером переменного тока
Карл Фердинанд Браун (точечный выпрямитель, 1874 г.)
Точность выпрямитель
выпрямитель
венский выпрямитель