Полупроводниковые выпрямители: Полупроводниковые выпрямители — часть1 – Выпрямитель — Википедия — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Полупроводниковые выпрямители — часть1

2018-01-23 Теория

Сегодня немножко углубимся в теорию и поговорим о схемах выпрямителей. Рассмотрим сам принцип выпрямления переменного тока, наиболее часто встречающиеся схемы выпрямителей, полупроводниковые элементы, которые применяются в этих схемах.

Выпрямителями называются устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Общая схема стандартного однофазного выпрямителя состоит из трансформатора, выпрямительного блока на основе полупроводниковых диодов и сглаживающего фильтра в виде конденсатора.

Трансформатор служит для преобразования переменного напряжения сети 220 V в необходимое выходное напряжение нагрузки. Выпрямительный блок (диодный мост) преобразовывает переменный ток в постоянный пульсирующий, а сглаживающий фильтр преобразовывает его в ток, близкий по форме к постоянному току.

В качестве диодных выпрямителей могут использоваться как четыре отдельных диода, так и диодная сборка в едином корпусе. На схемах диодный мост обычно изображается таким образом:

Современные выпрямители различают по типу используемых выпрямителей, схеме их включения и числу фаз. Также выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые.

Однофазные выпрямители

Основными схемами однофазных выпрямителей являются однополупериодная и двухполупериодная (мостовая или со средней точкой).

Однофазная однополупериодная схема является самой простейшей схемой выпрямителя.

Трансформатор преобразовывает сетевое напряжение первичной обмотки Uc в напряжение вторичной обмотки U2. Так как диод

Д имеет одностороннюю проводимость, ток I2 будет протекать только при положительной полуволне вторичного напряжения, при отрицательной полуволне диод будет закрыт. Так как ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод, отсюда и название выпрямителя — однополупериодный.

К недостаткам однополупериодных выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД, высокий уровень пульсаций и большое обратное напряжение на диоде.

Двухполупериодные схемы выпрямления уже значительно интересней. Из них наибольшую популярность приобрела мостовая схема включения диодов.

Схема состоит из трансформатора и четырех диодов,собранных мостом. Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ с нагрузкой. При положительном потенциале в точке a вторичной обмотки трансформатора ток пойдет по цепи точка a вторичной обмотки — A — диод Д1 — B — нагрузка Rн — D — диод Д3. К диодам Д2 и Д4

при этом приложено обратное напряжение, они заперты. При изменении направления Э.Д.С и тока во вторичной обмотке положительный потенциал появится уже в точке b вторичной обмотки трансформатора. Ток при этом пойдет по цепи b — C — диод Д2 — B — нагрузка Rн — D — диод Д4.

Таким образом ток в нагрузке не меняет своего направления. Кривые напряжения и тока на нагрузке повторяют (при прямом напряжении на диодах U np ≈ 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения.

Кроме мостовой схемы выпрямления может применяться двунаправленная схема.

Схема состоит из трансформатора со средней отпайкой на вторичной обмотке и двух диодов. Когда в точке a имеется положительный потенциал ток протекает по цепи a — диод Д1 — нагрузка Rн — отпайка 0 вторичной обмотки. При положительном потенциале в точке b вторичной обмотки ток потечет по цепи b — диод Д2 — с — нагрузка

Rн — отпайка 0 вторичной обмотки.

На левом рисунке показана зависимость напряжения вторичной обмотки трансформатора от времени, на правом изменение тока нагрузки. Как следует из работы выпрямителя, направление тока в нагрузке неизменно. Вторичная обмотка трансформатора двухфазная и каждая фаза работает половину периода. Напряжение на нагрузке в любой момент равно мгновенному значению ЭДС фазы, работающей в данный момент.

К основным минусам данной схемы можно отнести необходимость делать отпайку вторичной обмотки трансформатора и большое обратное напряжение диода Uобр = 2U2м = 3,14U0, поэтому она не получила столь широкого распространения как мостовая схема.

Трехфазные выпрямители

Среди трехфазных схем наибольшее распространение получили однонаправленная схема выпрямления или схема Миткевича и мостовая схема, известная также как схема Ларионова.

Рассмотрим сначала однонаправленную схему выпрямителя.

В однонаправленной схеме вторичные обмотки трехфазного трансформатора соединены звездой. К фазам а, b и с подключены диоды Д1, Д2 и Д3, катоды которых соединены в точке 0. Нагрузка Rн подключена между общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора и общей точкой присоединения катодов.

Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод

Д2, затем Д3 и т.д.

Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и следовательно ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.

Пульсация тока в такой схеме будет относительно невелика, что понижает требования к сглаживающему фильтру. Недостатком данной схемы, также как однофазной однополупериодной является намагничивание сердечника трансформатора.

Большее распространение в трехфазных выпрямителях получила мостовая схема Ларионова, так как она лишена недостатков однотактной схемы.

В такой схеме одновременно пропускают ток два диода — один с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода. Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.

В интервал времени t1-t2 пропускать ток будут диоды Д1 и Д4, так как наибольший положительный потенциал имеет анод фазы а, а наибольшим отрицательным потенциалом обладает катод фазы b. В интервале t2-t3 пропускать ток будут диоды Д1-Д6, в интервале t3-t4 — Д3-Д6, в интервале

t4-t5 — Д3-Д2, в интервале t5-t6 — Д5-Д2 и в последнем интервале — Д5-Д4.

Таким образом напряжение на нагрузке будет иметь вид шести пульсаций за период, а интервал проводимости каждого диода — 2π/3. При этом интервал совместной работы двух диодов — π/6. Среднее значение напряжения на нагрузке будет:

где U2 — действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения практически равно максимальному линейному напряжению питающей сети:

где Uab.m — максимальное линейное напряжение вторичной обмотки.

Из достоинств схемы нужно отметить то, что в такой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже, чем у однофазной двухполупериодной схемы и составляет

0,057.

На основе этой схемы можно создать двенадцати, восемьнадцати, двадцатичетырехфазные выпрямители. Для этого используются различные сочетания последовательного и параллельного соединения схем. Чем больше будет фаз и соответственно пар диодов, тем меньше будут выходные пульсации.

Кроме этих схем, могут применяться и управляемые схемы выпрямления, которые наряду с выпрямлением переменного тока обеспечивают и регулировку выходного напряжения (тока). Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Полупроводниковые выпрямители — Знаешь как

Содержание статьи

Полупроводниковый вентиль

Полупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью, а другой — с дырочной (рис. 13-16), например германий типа р и германий типа, п.

Вследствие большей концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р будет происходить диффузия электронов из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок в полупроводнике п.

Рис. 13-16. Полупроводниковый вентиль.

В пограничном слое полупроводника п возникнет положительный заряд, в пограничном слое полупроводника р — отрицательный заряд.

Между разноименными заряженными слоями образуется электрическое поле напряженностью Е_пер, препятствующее дальнейшей диффузии, которая прекратится при равенстве сил электрического поля и сил, вызывающих диффузию. Тонкий пограничный слой, обедненный основными носителями зарядов, обладающий большим сопротивлением, называют запирающим слоем или р-п переходом.

Рис. 13-17. Включение вентиля в прямом направлении.

Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника р, а отрицательный зажим — с электродом полупроводника п, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю р-п перехода, под действием которого электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу (рис. 13-17):

При таком движении электронов и дырок число основных носителей заряда в переходном слое возрастает, толщина переходного слоя уменьшается, а сопротивление его падаем Таким образом, в цепи установится ток, называемый прямым (I_пр), который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении.

Рис. 13-18. Включение вентиля в обратном направлении.

Присоединив к вентилю источник питания в обратном направлении (рис. 13-18), получим внешнее поле одного направления с полем р-п перехода и, следовательно, усиливающим его. Теперь поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой.

Кроме того, внешнее поле вызовет движение электронов в п полупроводнике и дырок в р полупроводнике в стороны, противоположные от запирающего слоя. Это повлечет за собой увеличение толщины запирающего слоя и возрастание его сопротивления. Ток, называемый в этом случае обратным I_обр, весьма мал и во многих случаях практики может считаться равным нулю.

Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает явно выраженной односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Отношение токов при одинаковых напряжениях

Ʀ_в = I_пр/I_обр

называется коэффициентом выпрямления.

Рис. 13-19. Устройство меднозакисного вентиля.

Меднозакисный вентиль

Меднозакисный вентиль (рис. 13-19) состоит из медного диска 1, на который наносится слой закиси меди 2. К последнему прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск 3, а за ним расположен тонкий большого диаметра латунный диск 4 — радиаторный, предназначенный для отвода тепла.

Слой закиси меди (CuО₂) получается при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди 2‘, полученный при избытке кислорода, обладает р проводимостью.

Слой закиси 2‘, прилегающий к медной шайбе, полученный при недостатке кислорода, обладает п проводимостью. Между двумя слоями закиси меди возникает р-п переход.

Допустимое напряжение на вентиле не более 8—10 в, так как при обратном напряжении 20—30 в он пробивается. Для выпрямления при больших напряжениях несколько вентилей монтируются на болте, образуя столбик выпрямителя.

Рис. 13-20. Вольт-амперная характеристика меднозакисного вентиля.

Для улучшения охлаждения устанавливаются радиаторные шайбы с тем, чтобы температура не поднималась выше 55° С, так как иначе вентиль может потерять вентильные свойства. Вольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-20.

Селеновый вентиль

Этот вентиль (рис. 13-21) состоит из алюминиевого или стального диска 1, покрытого с одной стороны полупроводящим слоем кристаллического селена 2, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом 4 служит нанесенный на селен слой сплава олово, кадмий и висмут, к которому прилегает латунная пружинящая шайба 5. Электроды отделены друг от друга запирающим слоем.

Допустимое напряжение на селеновый вентиль составляет 20—40 в, при обратном напряжении 60—80 в вентиль пробивается.

Рис. 13-21. Схема устройства селенового вентиля.

На рис. 13-22 показан столбик селенового вентиля, а на рис. 13-23 — его вольт-амперная характеристика.

Германиевые и кремниевые вентили

В германиевых и кремниевых диодах используются явления, происходящие в р-п переходах между областью кристалла германия (кремния) с р проводимостью и областью с п проводимостью.

Рис. 13-22. Столбик селенового вентиля.

Эти вентили изготовляются точечными и плоскостными.

Точечный германиевый диод типа Д1Г (рис. 13-24) состоит из стеклянного (или металлостеклянного) баллона диаметром около 3 мм и длиной 10 мм, в который впаяны два проволочных вывода.

На конце одного из них укреплен кристалл германия 17 с п проводимостью, на конце другого — тонкая заостренная проволочка индия 2.

Рис. 13-23. Вольт-амперная характеристика селенового вентиля.

Запирающий слой (р-п переход) образуется (рис. 13-24, а) при формовке — пропускании импульсов тока, под действием которых атомы индия диффундируют в кристалл: германия, образуя в кристалле полусферическую область с дырочной проводимостью.

На границе этой полусферы и возникает р-п переход.

Максимальный выпрямленный ток этого вентиля 16 ма, максимально допустимое обратное напряжение 50 в. Вольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-25.

Рис. 13-24. Германий точечный вентиль.

Плоскостный вентиль состоит из пластины германия 1 (рис. 13-26) с примесью сурьмы или мышьяка, обладающей электронной проводимостью, и индиевой пластины 2.

При изготовлении индиевая пластина, расположенная на поверхности германия, нагревается до температуры плавления индия.

При этом атомы индия диффундируют в германий, образуя область 2а с дырочной проводимостью. На границе создается переход типа р-п.

Рис. 13-25. Вольт-амперная характеристика точечного германиевого вентиля.

На рис. 13-26, б показано устройство одного из плоскостных германиевых вентилей типа Д-7.

В металлическом корпусе 5 длиной около 20 мм укреплен токосниматель 4 с расположенным на конце кристаллом германия 1. Электрод 2 из индия соединен с одним из выводов 7 проводником 3, проходящим через изолятор 6.

Максимальное допустимое обратное напряжение 50 б, выпрямленный ток 300 ма. На рис. 13-27 дана вольтамперная характеристика вентиля.

Рис. 13-26. Германиевый плоскостной вентиль типа Д-7

Силовые германиевые и кремниевые вентили изготовляются на номинальные токи до 1 000а.

Рис. 13-27. Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.

Рис. 13-28. Кремниевый диод типа ВК-100.

Рис. 13-29. Однополупериодное выпрямление.

Рис. 13-30. Двухполупернрдное выпрямление.

На рис. 13-28 показан кремниевый диод типа ВК-100 с воздушным охлаждением на номинальный ток 100 а.

Рис. 13-31. Мостовая схема выпрямителя.

На рис. 13-29 и 13-30 даны схемы одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока, аналогичные схемам с ламповыми вентилями (рис. 13-3 и 13-5). Мостовая двухполупериодная схема показана на рис. 13-31. Для увеличения выпрямленного напряжения и тока в каждую из ветвей схемы можно, включать по нескольку вентилей, соединенных между собой последовательно-параллельно или группами.

Коэффициент полезного действия меднозакисных выпрямителей составляет 50—60%, селеновых — 80—90%, германиевых и кремниевых более 90%.

Выпрямители нашли самое широкое применение для питания электролизных ванн и зарядки аккумуляторных батарей, для питания электродвигателей и аппаратов в измерительной технике, в автоматике, радиотехнике и т. д.

Статья на тему Полупроводниковые выпрямители

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
Увеличиваться — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода.

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход).

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

Материал предоставил для изучения — Denev.

Форум

Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

33. Блок-схема полупроводникового выпрямителя. Одно – и двухполупериодные выпрямители. Электрические схемы и осциллограммы.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.
Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроустановки работают на постоянном токе.
В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрямители средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными.
Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17):
1.     Трансформатор Тр;
2.     Выпрямительный блок БВ;
3.     Сглаживающий фильтр — фильтр нижних частот СФ;
4.     Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.
Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение U _ВХ, а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U _ВЫХ подключается нагрузка R _Н .

Рис. 17. Структурная схема выпрямителя

Трансформатор (часто называемый силовым) предназначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков выпрямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопасности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную.
Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры и др.).
Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительный блок, оценивается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется:
К _В = I _ПР / I _ОБР , (U = const ).
Идеальные вентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направлении I_ОБР = 0 , т. е. обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальные вентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнительно небольшой обратный ток I_ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы должны обладать малым прямым и большим обратным сопротивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжением, высоким КПД и стабильностью характеристик.
Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр является устройством, содержащим R – , L – и С — элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьшении напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффициентом фильтрации (сглаживания) — отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К _{П
ВХ} / К _{П
ВЫХ} .
Стабилизатор служит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изменение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе — со стороны переменного тока.
В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы автоматики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное напряжение U_ВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор.
Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится минимальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффициентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благодаря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя.
Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (переменного) напряжения U _ВХ и тока I , среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) U _{С В} и ток I _{С В} , коэффициент пульсаций К _П , коэффициент сглаживания пульсаций q , КПД и др.
По способам преобразования переменного тока различают одно- и двухполупериодные выпрямители.
ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Схема простейшего однополупериодного выпрямителя (рис. 18) содержит трансформатор Тр, первичная обмотка которого включена в сеть переменного (синусоидального) тока на напряжение u₁, а ко вторичной обмотке на выходное напряжение трансформатора u₂последовательно подключены диод VD и резистивная нагрузка R_H .
В течение первого условно положительного полупериода (на верхнем зажиме вторичной обмотки трансформатора потенциал положителен (рис. 18, а ) диод включён в прямом направлении – «диод открыт». В этом случае по цепи с нагрузкой R _Н протекает ток i _Н = i ₂. Поскольку сопротивление диода практически равно нулю, то ток в цепи определяется практически только сопротивлением нагрузки:
i ₂ = i _Н = u ₂ / (R _ПР + R _Н) = u ₂ / R _Н .
При этом напряжение на нагрузке практически равно выходному напряжению трансформатора:
u _Н =i ₂ R _Н = u ₂ .

Рис. 18. Схема и осциллограммы однополупериодного однофазного выпрямителя
В течение второго условно отрицательного полупериода (на верхнем зажиме вторичной обмотки трансформатора потенциал отрицателен (рис. 18, б) диод включён в обратном направлении – «диод закрыт», поэтому ток в цепи отсутствует i ₂ = i _Н = 0 .
В этом случае напряжение на нагрузке также равно нулю u _Н =i ₂ R _Н = 0 и всё выходное напряжение трансформатора u₂ оказывается приложенным к диоду u ₂ = u _Н + u _Д = u _Д и на зажимам диода возникает максимальное обратное напряжение.
Выпрямленное напряжение и ток в нагрузке уже не являются синусоидальными, а имеют вид повторяющихся импульсов одной полярности, разделенных паузами. Напряжение (ток) несинусоидальной формы можно представить как сумму некоторого постоянного напряжения (постоянная составляющая) и синусоидальных напряжений с частотами ω , 2ω , Зω и т. д. Такая сумма называется рядом и может содержать несколько слагаемых. Первое слагаемое этого ряда — постоянная составляющая или средневыпрямленное напряжение за период U_C_В , а все последующие члены — переменные составляющие или гармоники. В частности, второе слагаемое называется напряжением основной (первой) гармоники U_1Г с частотой, равной частоте сети ω, остальные члены ряда — гармоники более высокого порядка с частотами, кратными основной частоте.
Средневыпрямленное напряжение (постоянная составляющая выпрямленного напряжения) в случае однополупериодного выпрямления равна:
U_C_В = 0,32 U_2
МАХ = 0,45 U₂ .
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П равен отношению амплитуды первой (основной) гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения в случае однополупериодного выпрямления оказывается очень высоким:
К_П = U_1Г / U_C_В = 1,57 .
Благодаря простоте устройства однофазные однополупериодные выпрямители часто применяются в качестве блоков питания в радио- и телевизионной технике, в выпрямительных цепях измерительных приборов и др.
ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Известны два варианта схем двухполупериодного однофазного выпрямителя:
1.     Схема с выводом от среднего витка (средней точки) вторичной обмотки трансформатора;
2. Мостовая схема.
1. Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от среднего витка вторичной обмотки трансформатора состоит из трансформатора Тр, двух диодов VD1 и VD2 и нагрузки R _H (рис. 18 ). Аноды диодов присоединены к концам вторичной обмотки трансформатора (точки 1 и 2 ), а катоды — к общему узлу 3 . Нагрузка включена между средним витком обмотки трансформатора 0 и узлом 3 .

Рис. 18. Схема и осциллограммы двухполупериодного однофазного выпрямителя с выводом от среднего витка вторичной обмотки трансформатора

По своей схеме такой двухполупериодный выпрямитель эквивалентен двум однополупериодным выпрямителям, работающим на общую нагрузку со сдвигом на полпериода, поэтому напряжение и ток в нагрузке состоят из положительных синусоидальных полуволн без пауз ( « + » со стороны катодов, точка 3 ).
При включении сетевого напряжения u ₁ на первой и второй половинах вторичной обмотки трансформатора возникают напряжения u₂₁ и u₂₂ . В первый полупериод потенциал точки 1 является положительным, а потенциал точки 2 является отрицательным относительно вывода средней точки 0 . В этом случае диод VD2 закрыт, а диод VD1 открыт и под действием наведённого в первой половине вторичной обмотки трансформатора напряжения u₂₁ в цепи возникает ток i ₂₁ , который проходит через диод VD1 , нагрузку R _Ни первую половину вторичной обмотки трансформатора. В следующий полупериод полярность на концах вторичной обмотки трансформатора меняется на обратную: диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. Под действием наведённого во второй половине вторичной обмотки трансформатора напряжения u₂₂ в цепи возникает ток i ₂₂ , который проходит через диод VD2 , нагрузку R _Ни замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, каждые полпериода через нагрузку R_H поочередно, проходят в одном и том же направлении токи i ₂₁ и i ₂₂ , поэтому ток в нагрузке равен их сумме: i н = i ₂₁ + i ₂₂.
Поскольку практически всегда и первая и вторая половины (ветви или плечи) выпрямителя выполняются одинаковыми, т. е. являются симметричными, то и токи в ветвях выпрямителя также будут одинаковыми i ₂₁ = i ₂₂.
Средневыпрямленное напряжение в схемах с двухполупериодным выпрямлением вдвое больше по величине, чем в схеме с однополупериодным выпрямлением:
U_C_В = 0,9 U₂ .
Коэффициент пульсаций при двухполупериодном выпрямлении значительно меньше, чем при однополупериодном:
К_П = U_1Г / U_C_В = 0, 67.
К недостаткам схемы следует отнести более сложное устройство трансформатора.
2. Однофазный мостовой выпрямитель содержит трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключён блок из четырёх диодов VD1 – VD4 , соединенных по схеме четырёхплечего моста (рис. 19). Нагрузка R _Нвключена во вторую диагональ моста между общим катодом диодов VD1 – VD2 (точка 3 ) и общим анодом диодов VD3 – VD4 (точка 4).

Рис. 19. Схема и осциллограммы двухполупериодного однофазного
мостового выпрямителя
При включении сетевого напряжения u ₁ на вторичной обмотке трансформатора возникают напряжения u₂. В первый полупериод потенциал точки 1 является положительным, а потенциал точки 2 является отрицательным. В этом случае диод VD4 закрыт, а диоды VD1 и VD3 открыты и под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора u ₂₁ в цепи возникает ток i ₂₁ , который проходит через диоды VD1 — VD3 , нагрузку R _Ни вторичную обмотку трансформатора. В следующий полупериод полярность на концах вторичной обмотки трансформатора меняется на обратную: диод VD3 закрывается, а диоды VD2 и VD4 открываются и под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора u ₂₂ в цепи возникает ток i ₂₂ , который проходит через диоды VD2 — VD4 , нагрузку R _Ни замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, каждые полпериода через нагрузку R_H поочередно, проходят в одном и том же направлении токи i ₂₁ и i ₂₂ , поэтому ток в нагрузке равен их сумме: i н = i ₂₁ + i ₂₂.
Поскольку практически всегда и первая и вторая половины (ветви или плечи) выпрямителя выполняются одинаковыми, т. е. являются симметричными, то и токи в ветвях выпрямителя также будут одинаковыми i ₂₁ = i ₂₂.
Мостовая схема аналогична схеме выпрямителя с выводом от среднего витка вторичной обмотки трансформатора, поэтому средневыпрямленное напряжение и коэффициент пульсаций для обеих схем одинаковы: U_C_В = 0,9 U₂ ; К_П = 0, 67 .
Однако мостовая схема положительно отличается тем, что обратное напряжение на диодах в ней в 2 раза меньше, а вторичная обмотка имеет меньше витков и не имеет вывода от среднего витка, что значительно упрощает конструкцию выпрямителя. Кроме того, имеется возможность использования мостовой схемы без трансформатора в тех случаях, когда не требуется изменять величину выпрямленного напряжения по сравнению с напряжением питающей сети.
Обе схемы двухполупериодного однофазного выпрямления, широко применяются в выпрямителях мощностью до 1 кВт и напряжением от нескольких вольт до нескольких киловольт. Для получения более мощных источников питания постоянного тока используют трёхфазные выпрямители, а также преобразовательные устройства, изготовляемые на базе тиристоров.
Выпрямители. Виды и устройство. 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.
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.
Устройство и структура выпрямителя
Рис. 1
Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:
1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.
Рис. 2
Силовой трансформатор
Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). 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_нодновременно. 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.
Диодный мост
Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). 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.
Устройство фильтрования
Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). 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.
Стабилизатор напряжения
Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.
Классификация
Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.
По мощности на выходе:
Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
Средней мощности – менее 100 кВт.
Малой мощности – до 0,6 киловатт.
По фазности сети питания:
1-фазные.
3-фазные.
По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U₂ за один период:
Однотактные (имеют один полупериод).
Двухтактные (два полупериода).
По типу управления вентилями выпрямители делятся на:
Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
Неуправляемые. Используются диоды.
Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:
Активно-емкостная.
Активно-индуктивная.
Активная.
Расчет выпрямителя
Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.
Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.
К таким факторам можно отнести:
Мощность и напряжение.
Пульсация и частота напряжения на выходе.
Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
Коэффициент мощности и другие параметры.
КПД.
Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:
Где I_d, U_d, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I₁, U₁  — рабочая первичная величина тока и напряжения, I₂, U₂  – рабочая величина вторичного тока и напряжения.
При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.
Схемы выпрямления
Однофазные выпрямители
Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.
Однофазная однотактная схема
Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.
На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.
Нагрузочный ток i_d под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е₂) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток i_vd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).
Напряжение на выходе выпрямителя u_d всегда ниже ЭДС обмотки е₂, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля U_обрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.
Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину I_d, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.
Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.
Похожие темы:
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. В этом уроке мы рассмотрим однофазное выпрямление и все его формы.
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 _Lв 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, как показано.
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
В отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выхода. Это происходит потому, что двухполупериодный выпрямитель в основном 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. Мы помним сверху, что среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды. Однако, в отличие от описанного выше полуволнового выпрямления, двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.
Среднее значение двухполупериодного выпрямителя
Здесь мы можем видеть, что 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
Как и прежде, максимальное значение A _MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя. 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
Затем мы можем видеть, что 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.
Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I _H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. 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
Мы увидели в этом уроке об однофазном выпрямлении, что 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.
Тогда независимо от того, как мы это делаем, преобразование синусоидального сигнала переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением.
Полупроводниковые выпрямители — часть2

2018-02-15 Теория

Продолжаем тему полупроводниковых выпрямителей. В прошлый раз были рассмотрены основные схемы однофазных и трехфазных полупроводниковых выпрямителей на основе диодов. Такие схемы можно рассматривать как нерегулируемые по току и напряжению. Но как я уже упоминал в конце прошлой статьи, помимо этого часто встречаются выпрямители на основе управляемых полупроводниковых приборов. О них и пойдет речь.
Конечно если говорить совсем точно, то регулирование в схемах на основе диодов также возможно. Для этого применяются либо ЛАТР, включенный в цепь переменного тока, либо реостаты в цепи выпрямленного тока. Но такие способы регулировки имеют существенные недостатки, в первую очередь низкий КПД, а также громоздкость такой схемы. Управляемые схемы на основе тиристоров или симисторов лишены таких недостатков.
Рассмотрим схему простого управляемого двухполупериодного выпрямителя. Как видно на рисунке, схема очень напоминает схему диодного двухполупериодного выпрямителя, единственное отличие в том, что вместо двух диодов в схему были добавлены два тиристора.
Момент открытия тиристоров совпадает с началом положительной полуволны напряжения U2, и ток в нагрузке будет протекать в течении всего полупериода. Тиристоры открываются только при подаче на них управляющего импульса. Если смотреть на диаграмму, то видно, что начало действия управляющего импульса Iy сдвинуто по времени на Ty относительно начала периода напряжения Uy и ток в нагрузке существует в течении времени T/2 — Ty. Следовательно, уменьшается и среднее значение тока Ioa по сравнению со средним значением тока при включении тиристора в начале периода при t=0.
Время подачи управляющего сигнала устанавливает подачу на управляющий электрод тиристора положительного управляющего импульса. Если угол управления равен нулю (a=0), то среднее значение напряжения на нагрузке (Uo) и тока (Io) будут максимальными. При увеличении времени подачи сигнала напряжение и ток будут уменьшаться.
В случае когда время подачи управляющего сигнала достигнет своего максимума a=180, напряжение и ток в нагрузке станут равными нулю. Зависимость значения напряжения и тока от времени подачи управляющего сигнала называют регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Таким образом, меняя момент подачи управляющего импульса, можно автоматически регулировать средние значения тока и напряжения на нагрузке.
Так работает однофазный двухполупериодный выпрямитель. По аналогии с этой схемой работают и трехфазные выпрямители, применяемые для питания постоянным током мощных производственных установок.
Стоит отметить, что помимо тиристорных и симисторных выпрямителей, не отличающихся особой надежностью, применяются схемы с использованием IGBT транзисторов.
В такой схеме используются модули, состоящие из IGBT транзисторов и диода, включенного встречно-параллельно, который выполняет функцию защиты от обратного напряжения. IGBT работают попарно, так же как вентили в схеме неуправляемых выпрямителей.