Принцип действия и схема трехфазного мостового выпрямителя

Регулятор работающий без помех

Ниже представлена схема регулятора мощности, не создающего помехи, поскольку он не «обрезает» полуволны, а «отрезает» их определенное количество. Принцип работы такого устройства мы рассматривали в разделе «Принцип работы фазового регулирования», а именно, переключение тиристора через ноль.

Также как и в предыдущей схеме, регулировка мощности происходит в диапазоне от 50 процентов до величины близкой к максимальной.

Перечень используемых в приборе радиоэлементов, а также варианты их замены:

Тиристор VS – КУ103В;

Диоды:

VD 1 -VD 4 – КД209 (в принципе можно использовать любые аналоги, которые допускают величину обратного напряжения более 300В, а ток свыше 0,5А); VD 5 и VD 7 – КД521 (допускается ставить любой диод импульсного типа); VD 6 – KC191 (можно использовать аналог с напряжением стабилизации равным 9В)

Конденсаторы:

С 1 – электролитического типа с емкостью 100мкФ, рассчитанный на напряжение не менее 16В; С 2 – 33Н; С 3 – 1мкФ.

Резисторы:

R 1 и R 5 – 120кОм; R 2 -R 4 – 12кОм; R 6 – 1кОм.

Микросхемы:

DD1 – K176 ЛЕ5 (или ЛА7); DD2 –K176TM2. В качестве альтернативы можно использовать логику серии 561;

R n – паяльник, подключенный в качестве нагрузки.

Если при сборке тиристорного регулятора мощности не было допущено ошибок, то устройство начинает работать сразу после включения, настройка для него не требуется. Имея возможность измерить температуру жала паяльника, можно сделать градацию шкалы для резистора R 5 .

В том случае, когда устройство не заработало, рекомендуем проверить правильность распайки радиоэлементов (не забудьте перед этим отключить его от сети).

Еще один регулятор мощности

Когда у меня в очередной раз не получилось припаять контакт микросхемы перегретым паяльником с первого раза, я понял, что счастья в жизни не будет без регулятора мощности. И решил я закошачить себе такую штуку, но чтобы попроще и универсальным был (для разного рода нагрузки). Приглянулась мне популярная в интернете схемка на симисторе.

Данный регулятор мощности предназначен для регулировки мощности нагрузки до 500 Вт в цепях переменного тока с напряжением 220 В. Такой нагрузкой могут служить электронагревательные, осветительные прибороы, асинхронные электродвигатели переменного тока (вентилятор, электронаждак, электродрель и т.д.). Благодаря широкому диапазону регулировки и большой мощности регулятор найдет широкое применение в быту.

Симисторный регулятор мощности использует принцип фазового управления. Принцип работы такого регулятора основан на изменении момента включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль.

В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения, конденсатор С1 заряжается через делитель R1, R2. Увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстает (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления делителя R1+R2 и емкости С1. Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога «пробоя» динистора (около 32 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечет ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки. Симистор остается открытым до конца полупериода. Резистором R1 устанавливается напряжение открывания динистора и симистора. Т.е. этим резистором производится регулировка мощности. При действии отрицательной полуволны принцип работы аналогичен. Светодиод LED индицирует рабочий режим регулятора мощности. Симистор установлен на алюминиевый радиатор размером 40х25х3 мм.

Настройки схема не требует. Если все смонтировано правильно, то сразу же начинает работать. При экспериментах с лампой накаливания мощностью 100 Вт был выявлен легкий нагрев тиристора (без радиатора). А наглядные результаты экспериментов, как и готового устройства, можно увидеть на фотографиях ниже.

Регулятор напряжения

– это специализированный электротехнический прибор, предназначенный для плавного изменения или настройки напряжения, питающего электрическое устройство.

Регулятор напряжения

4 вопроса по теме регуляторов напряжения

1. Для чего нужен регулятор:

а) Изменение напряжения на выходе из прибора.

б) Разрывание цепи электрического тока

1. От чего зависит мощность регулятора:

а) От входного источника тока и от исполнительного органа

б) От размеров потребителя

1. Основные детали прибора, собираемые своими руками:

а) Стабилитрон и диод

б) Симистор и тиристор

1. Для чего нужны регуляторы 0-5 вольт:

а) Питать стабилизированным напряжением микросхемы

б) Ограничивать токопотребление электрических ламп

Другие типы выпрямителей

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель представляет из себя два
параллельно соединенных однофазных однополупериодных выпрямителя.
Характеризуется улучшенным использованием трансформатора и сглаживающего
фильтра. Другое название такого выпрямителя – выпрямитель со средней
точкой.

 
Рис. 4 – Схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения представляет собой
последовательное соединение однополупериодных выпрямителей. В первом
полупериоде через диод VD1 заряжается конденсатор C1, а во втором полупериоде
через диод VD2 заряжается конденсатор C2. Выходное напряжение представляет
собой сумму напряжений на конденсаторах – удвоенную амплитуду напряжения
вторичной обмотки.

 
Рис. 5 – Схема однофазного выпрямителя с удвоением напряжения

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой обладает значительно
меньшими пульсациями выходного напряжения и их утроенной частотой по сравнению
с однофазным двухполупериодным выпрямителем. Этой позволяет упростить фильтр а
иногда и вообще обойтись без него. Но такой схеме присуще подмагничивание
трансформатора постоянным током, что ухудшает его использование.

 
Рис. 6 – Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой

Трехфазный мостовой выпрямитель

Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) по сравнению с
предыдущей схемой характеризуется отсутствием подмагничивания трансформатора,
еще меньшим коэффициентом пульсаций, и их вдвое большей частотой.

 
Рис. 7 – Схема трехфазного мостового выпрямителя

Таблица 1

Основные характеристики схем выпрямителей при работе на резистивную нагрузку

Характеристика	Тип выпрямителя
Однофазный со средней точкой	Однофазный мостовой	Трехфазный с нулевой точкой	Трехфазный мостовой
Действующее напряжение вторичной обмотки (фазное),
Действующий ток вторичной обмотки,
Действующий ток первичной обмотки,
Расчетная мощность трансформатора,
Обратное напряжение на диоде,
Среднее значение тока диода,
Действующее значение тока диода,
Амплитудное значение тока диода,
Частота основной гармоники пульсаций
Коэффициент пульсаций выходного напряжения,

• – расчетное значение напряжения на нагрузке
• – число последовательно включенных диодов
• – прямое падение напряжения на диоде
• – среднее значение выпрямленного напряжения
• – расчетное значение тока через нагрузку
• – коэффициент трансформации
• – расчетное значение мощности нагрузки
• – частота питающей сети

Внутреннее описание

Диод, как и все полупроводники, в основном состоит из чистого кремния (более популярного в настоящее время, чем германий). По своей природе кремний является плохим проводником электричества, поэтому, смешивая в нем определенные примеси (легирование), в некоторой степени достигается проводимость. Эти примеси могут быть положительными носителями или отрицательными носителями заряда, известными как p-тип и n-тип соответственно.

В диоде кремний p-типа и кремний n- типа сплавляются вместе, образуя соединение, называемое pn-переходом. При подключении к источнику напряжения этот переход ограничит поток тока от n- типа к p-типу и позволит протекать току от p-типа к кремнию n- типа, только если напряжение превышает 0,6 вольт. Это минимальное напряжение требуется в любом кремниевом полупроводнике для инициирования проводимости электронов и известно как прямое напряжение. Вывод p-типа диода называется анодом, а вывод n- типа называется катодом и обозначается кольцом или полосой на его корпусе.

Механическое выпрямление напряжения

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

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

Схема получения повышенного напряжения.

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

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

Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с фото.

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

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

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 . 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.

Схема как сделать из постоянного тока переменный — Портал о стройке

Люди всего земного шара в настоящее время имеют возможность получить знания в различных технических направлениях. Нам всем остается лишь воспользоваться знаниями, современной имеющейся базой научных открытий как отечественных так и зарубежных ученых.

Чтобы получить необходимые знания для разрешения каких-либо технических вопросов, мы обращаемся к тому или иному источнику информации. Человек, допустим открывает учебник по электротехнике и получает различную техническую информацию, к примеру:

• переменное напряжение является синусоидальным напряжением;
• коллекторный двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока;
• каждый диод обладает своим потенциальным барьером

и так далее.

И зачастую получается, что человеку трудно понять прочитанное. Он может запомнить информацию, но не осознавать того, что он прочитал. То-есть, кроме того что мы прочитали, нам необходимо понять явления физики.

Для чего нужен постоянный ток

Что из себя представляет постоянный ток? В чем различие между переменным и постоянным током? Чтобы нам ответить на эти и другие вопросы, — нам нужно вспомнить физику и электротехнику.

Постоянный ток — название происходит от самого слова постоянный, то-есть ток, в котором отсутствуют пульсации, — в отличие от переменного тока. К таким источникам энергии \постоянного тока\ относятся химические источники тока:

• первичные источники;
• электрохимические аккумуляторы.

Первичные источники тока — это различные батарейки \разового пользования\, не подлежащие своему восстановлению в первоначальное состояние — после их разрядки.

К электрохимическим аккумуляторам относятся различные типы аккумуляторов, способность которых проявляется в возвращении их в свое первоначальное химическое состояние в процессе воздействия электрического тока, — зарядки аккумулятора. Другими словами, зарядили:

• аккумулятор авто;
• аккумулятор шуруповерта;
• аккумуляторы соединенные в батареи — для телефонной связи,

— в результате, получаем неоднократную возможность в их дальнейшей эксплуатации, эксплуатации источников постоянного тока.

Какие преимущества мы находим в применении постоянного тока? Данную электрическую энергию можно аккумулировать, допустим, для той же самой ветряной электростанции, — при отсутствии ветра.

Следовательно, вывод такой, что в приведенных источниках электрической энергии отсутствует частота, — в виду отсутствия пульсаций тока.

Где еще можно наблюдать применение постоянного тока? Постоянный ток необходим также для питания электродвигателей — работающих от постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока применяются как тяговые двигатели, в которых допускается плавное вращение ротора, к примеру, в электровозе.

Вот мы и ответили на такой простой вопрос «для чего нужен постоянный ток».

Однополупериодный выпрямитель тока

Однополупериодный выпрямитель тока — это наиболее упрощенная схема выпрямления тока.

рис.1

рис.2

Рассмотрим две схемы, разница которых состоит в том, что в первой схеме однополупериодного выпрямителя тока, — параллельно нагрузке подключен конденсатор. Первая схема \рис.1\ состоит из:

и подключенной нагрузки ко вторичной обмотке трансформатора.

Во второй схеме однополупериодного выпрямителя тока, цепь вторичной обмотки трансформатора состоит из диода и подключенной нагрузки \рис.2\. В электротехнике, диоды состоящие в схеме, — еще называют вентилями. Если в своих описаниях схем Вы даете пояснение и заменяете слово «диод» словом «вентиль», — разницы не будет никакой.

На представленных кривых изменения напряжения \рис.1\ видно, что:

• переменное напряжение в схеме наблюдается перед вентилем \диодом\;
• после вентиля напряжение пульсирующее — положительной полярности

и после конденсатора, параллельно включенного перед нагрузкой, — напряжение выглядит как бы сглаживающим. То-есть конденсатор состоящий в схеме после диода, — сглаживает пульсацию. Поэтому, конденсаторы еще называют фильтрами.

Но для питания отдельных схем-блоков, к примеру в радиотехнике такие схемы выпрямления тока не подходят, так как пульсации будут создавать фон переменного тока, а это в свою очередь будет приводить к искажению звукового сигнала.

Для питания схем:

• телевизоров;
• транзисторных радиоприемников;
• электронных приборов,

— схемы выпрямления, в целом состоят из так называемых реактивных элементов — дросселей и конденсаторов.

Описание выпрямителей

Трехфазный мостовой выпрямитель Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:

• первые устанавливаются в линиях 220 Вольт и служат для получения постоянных токов незначительной величины (до 50-ти Ампер);
• трехфазные выпрямители используются в цепях, где рабочие (выпрямленные) токи существенно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен Ампер.
• в сравнении с однофазными образцами эти приборы имеют более сложное устройство.

Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить на выходе минимальный уровень пульсаций.

В электротехнике они называются «трехфазные мостовые выпрямители», так как по способу открывания диодов, управляемых полярностью напряжения, они напоминают мост через реку с односторонним движением. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, недоступной для проезда машин поочередно в каждую из сторон.

Трехфазная схема выпрямителя

Большинство промышленных источников питания для электродвигателей и сварочных применений используют трехфазное напряжение AC. Это означает, что устройство для этих цепей должен использовать трехфазный мост, который имеет шесть диодов для обеспечения полноволнового выпрямления (два диода для каждой линии трёх фаз). На этом рисунке показана электрическая трехфазная мостовая схема выпрямления.

На диаграмме вторичная обмотка трехфазного трансформатора на диоде устройства. 1D, 3D и 5D соединены вместе, чтобы обеспечить общую точку для отрицательного вывода DC выходной мощности. 2D, 4D и 6D соединены, чтобы обеспечить общую точку для постоянного положительного вывода выходной мощности.

Электронная схема трехфазного мостового выпрямителя, где он соединён со вторичной обмоткой трехфазного трансформатора. Трехфазные входные синусоидальные волны (б). Шесть полуволн для выхода DC. Хорошим правилом для определения соединений на диодных устройствах является то, что входное напряжение (U) переменного тока будет подключено к мосту, где соединяются анод и катод любых двух диодов.

Так как это происходит в двух точках моста, входное U не имеет определённую полярность. Положительный вывод для источника питания будет подключён к мосту, где два катода диодов соединены, а отрицательный вывод будет соединён с мостом и соединяются два анода диодов.

Поскольку шесть полуволн перекрываются, напряжение DC не имеет шансов добраться до нулевой точки напряжения, таким образом, среднее выходное напряжение DC очень велико.

Трехфазный полноволновый мостовой выпрямитель используется там, где требуемое количество мощности DC велико, а эффективность трансформатора должна быть высокой. Поскольку выходные сигналы полуволн перекрываются, они обеспечивают низкий процент пульсаций.

Разновидности диодов

Основным элементом выпрямляющего диода является полупроводник. Чаще всего в качестве него применяется кристалл кремния или германия. Кремневые диоды используются чаще, чем германиевые. Это связано с тем, что последние отличаются более высокой величиной обратных токов, что существенно ограничивает допустимую величину обратного напряжения. Для германиевых полупроводников этот показатель не превышает 400 Вольт. У кремниевых диодов максимальное обратное напряжение может достигать 1500 Вольт.

Кроме того, кремниевые полупроводники отличаются более высокой рабочей температурой. Но с этим достоинством связан и существенный минус данных радиоэлементов. Если обратное напряжение приводит к их пробою, то он носит тепловой характер. Это означает, что пробитый кремниевый выпрямитель практически всегда необходимо заменять новым.

Преимуществом германиевых считается небольшое падение напряжения при прямом электротоке.

В зависимости от технологии изготовления полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Первые состоят из небольшой пластины n-типа и стальной иглы, создающей в месте контакта p-n переход. Основными конструктивными элементами плоскостных полупроводниковых диодов являются две соединенные вместе пластины разной электропроводности.

Максимально допустимый прямой ток определяет мощность выпрямительных диодов. Исходя из этой характеристики, их принято делить на:

• Слаботочные. Они отличаются небольшими габаритами и малым весом. Выпускаются преимущественно в пластмассовых корпусах. Выпрямляемый ток не превышает 0.3 Ампер.
• Диоды средней мощности. Их корпуса изготавливаются из металла, а на одном из выводов (катоде) присутствует резьба, с помощью которой радиоэлемент можно надежно зафиксировать на радиаторе, используемом для отвода тепла. Способны выпрямлять переменный ток от 0.3 до 10 Ампер.
• Силовые полупроводниковые выпрямители. Рассчитаны на прямой ток, превышающий 10 А. Выпускаются в металлокерамических или металлостеклянных корпусах таблеточного или штыревого типа.

Существуют еще такие разновидности выпрямительных диодов, как:

• Импульсные. Их используют в маломощных электронных схемах. Главной их особенностью является небольшое время, затрачиваемое на переход от закрытого состояния к открытому, и наоборот. Это примерно 100 мкс.
• Обращенные. При обратном включении они оказывают небольшое сопротивление проходящему току и намного большее при прямом включении. Обращенные диоды предназначены в основном для  выпрямления небольших сигналов с амплитудой напряжения не более 1 Вольта.
• Выпрямители Шоттки. Они отличаются небольшим сопротивлением, поэтому используются для выпрямления значительных токов, достигающих десятки ампер. Внутри выпрямителей Шоттки не накапливается тепловая энергия, поэтому отсутствует и рассасывание неосновных носителей электрозарядов.
• Стабилитроны. Способны сохранять все свои рабочие характеристики даже в режиме электрического пробоя. За рубежом их называют диодами Зенера.
• Диодный мост. Данная схема собирается из четырех элементов. Используется с целью улучшения качества преобразования переменного тока в постоянный. Отличается тем, что способен пропускать ток на протяжении каждого полупериода. Мосты выпускаются в виде устройства, заключенного в корпус из пластика.

Все виды выпрямительных диодов отличаются внешним видом, но их выбор упрощает соответствующее обозначение, нанесенное на корпус. Каталоги с маркировкой и УГО данных полупроводниковых элементов представлены в специальном справочнике. Следует отметить, что маркировка импортных диодов отличается от отечественных. Буквенно-цифровое обозначение отечественных диодов регламентирует ОСТ 11366.919-81. Расшифровка маркировки согласно этому документу представлена на рисунке ниже.

Следовательно, если на корпусе имеется маркировка КД202А, то это будет кремниевый выпрямительный диод средней мощности исполнения А.

Существуют требования и относительно условных графических изображений диодов на схемах.

Однофазный мостовой выпрямитель (диодный мост)

Однофазный мостовой выпрямитель является двухполупериодным
выпрямителем. Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Из-за удвоенного количества диодов ограничено его применение
при низких напряжениях. Трансформатор в такой схеме используется наиболее
полно.

Рис. 2 – Схема и принцип работы диодного моста

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

• На схему приходит переменное напряжение . Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
• Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
• На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (рис. 2,б), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным.

Его преимущества очевидны:

• Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
• Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
• Как видно из графика (рис. 2,б), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
• Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Рис. 3 – Диодный мост в виде сборки

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.

Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.2, а

) можно рассматривать как со­единение двух трехфазных выпрямителей с нулевым выводом, у одного из которых диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную группу, а у другого диоды VD2, VD4, VD6 обра­зуют анодную группу. Трансформаторы у этих выпрямителей совмещены в один. При работе мостовой схемы ток проводят всегда два диода; один в анодной, а другой – в ка­тодной группе.

В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, по­тенциал которого по отношению к средней точке трансформатора выше (более поло­жительный) потенциала анода других диодов. В анодной группе проводит тот диод, по­тенциал, которого ниже (более отрицателен) по отношению к потенциалам катодов других диодов.

Например, в момент времени θ = θ1 (рис. 2.2, б

) в катодной группе про­водит диод VD1, в анодной – VD6.

Переход тока с диода на диод в обоих группах происходит в точках естественной коммутации К1, К2, К3,…, А1, А2, А3 и т.д. Порядок вступления диодов в работу соответствует их номерам (см. рис. 2.2, б

). Таким образом, по отношению к нулевой точке трансформатора потенциал общих катодов из­меряется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей кривых фазных напряжений ua, ub, uc.

Мгновенное выпрямленное напряжение ud (рис. 2.2, г

мостового выпрямителя равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, за­ключенным между верхней и нижней огибающими (рис. 2.2,б ). Из рис. 2.2,в видно, что пульсации выпрямленного напряжении ud и тока id (см. рис. 2.2,a , при активной нагрузке ключ К замкнут) происходят с шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через диод показана на рис. 2.2, в, г

, при ак­тивной нагрузке выпрямителя rв и работе выпрямителя на обмотку возбуждения (см. рис. 2.2в , штриховая линия). Обратное напряжение имеет форму, как в нулевой схеме, но в два раза меньшей амплитуды.

Ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает дважды за пе­риод в противоположных направлениях. В связи с этим в мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Форма первичного тока находится из условия компенсации магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток (см. рис. 2.2, д

) при соединении первичной обмотки в звезду. Выпрямитель при этом на­гружен на обмотку возбуждения. Расчетные соотношения для мостовой схемы нахо­дятся из общих формул (2.1 – 2.8), при m = 6. Численные значения соответствующих ве­личин приведены в таблице 1.1.

При сравнительном анализе трехфазной нулевой и мостовой схем можно сделать те же выводы, что и для соответствующих однофазных схем.

Улучшение гармонического состава кривых выпрямленного напряжения и сете­вого тока достигается в многофазных схемах выпрямления, используемых для машин большой мощности. На практике широко применяют двенадцатифазные схемы вы­прямления (m = 12), образованные последовательным или параллельным соединением двух мостовых выпрямителей.

Ламповые варианты

Такие механические и электролитические выпрямляющие устройства просуществовали несколько десятилетий до того времени, как появились электронные лампы. Но и они были ограничены потерями электроэнергии. Хотя и не связанными с коммутацией. Дело в том, что для работы лампы необходим предварительно созданный запас электронов.

А его не научились получать в лампах иначе, как раскаляя нить накала. Вот и получалось, что, несмотря на быстродействие, обычная лампа-диод расходовала слишком много электроэнергии на выпрямление напряжения. Но со временем была изобретена мощная ртутная лампа — ртутный выпрямитель. Она отличалась тем, что в ней возникал управляемый электрический разряд в парах ртути. Разряд существовал только на одной полуволне напряжения.

Ртутный выпрямитель

Это позволило довести мощность выпрямителя до значений, приемлемых для промышленного использования. И на основе ртутных выпрямителей были построены первые ЛЭП, работающие при постоянном напряжении. А во всех остальных электроприборах так и применялись электронные лампы-диоды. В 30-е годы ХХ века появились первые полупроводниковые выпрямители на основе селена. Они так и назывались — «селеновые выпрямители».

Структура селеновой выпрямительной пластины Конструктивное исполнение селеновых выпрямителей

Однако характеристики этих выпрямителей оставляли желать лучшего. Поэтому поиски более эффективных технических решений продолжались и завершились появлением полупроводникового диода. Но его преимущества тоже относительны. Температура полупроводника не может превышать 130–150 градусов Цельсия. По этой причине все предшествующие виды выпрямителей имеют свою нишу для условий с высокой температурой и радиацией. При остальных условиях эксплуатации применяются диодные выпрямители.