Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный токв постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:
– по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);
– по виду выпрямительных элементов;
– неуправляемые и управляемые;
– по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);
Однофазные выпрямители. Наиболее простой однофазный выпрямитель осуществляет однополупериодное выпрямление (см. рис. 2.38а) [11], так как ток проходит через диод VD и нагрузку Rн только при наличии на аноде диода положительного потенциала. При этом напряжение на выходе, как и в других случаях, не является строго постоянным. Эта схема дает наибольший коэффициент пульсации kп = 1,57. Постоянная составляющая напряжение на нагрузке U0 = 0,45 U2.
В однофазном двухполупериодном выпрямителе на трансформаторе с выводом средней точки (рис. 2.38б) в первый полупериод под действием напряжения 
ток проходит через диод
, а во второй полупериод под действием напряжения
– через диод
. При этом как в первый, так и во второй полупериоды ток через нагрузкуRн проходит в одном и том же направлении.
Рис. 2.38. Схемы и временные диаграммы однофазных
В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.40в) в одну половину периода ток 
проходит через диод
, нагрузкуRн и диод 
, а в другую половину периода – через диод
, нагрузкуRн и диод 
. Выходное напряжение оказывается сформированным из полуволн одного знака, следующих без разрыва друг за другом. Постоянная составляющая в обоих однофазных двухполупериодных выпрямителяU0 = 0,9 U2 , коэффициент пульсации kп = 0,66. Частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе соответствует частоте питающей сети, а в двухполупериодном выпрямителе она в два раза больше.
Пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются, а частота их возрастает при многофазном выпрямлении.
Однофазные управляемые выпрямители. Для примера рассмотрим однофазный управляемый двухполупериодный выпрямитель (рис. 2.39), выполненный на тиристорах по схеме с выводом средней точки трансформатора. Он содержит трансформатор напряжения с двумя одинаковыми секциями вторичной обмотки, два тиристора 
и
. Нагрузкой выпрямителя является резистор
.
Разновидности схем диодных выпрямителей для блока питания, описание работы, достоинства и недостатки
Рис. 2.39. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах
Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы напряжений (рис. 2.40). В интервале углов от 0 до 
напряжение
положительно. Ток нагрузки
=
проходит по цепи (см. рис. 2.39: вывод 1 трансформатора –
–
– вывод 3) с момента включения тиристора
, оцениваемого углом включения
(см. рис. 2.40г), так как в его цепи управления появляется ток 
> 0. Тиристор
будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.
В интервале углов от 
до 2
напряжение
отрицательно. Ток нагрузки
=
проходит по цепи (вывод 2 трансформатора –
–
– вывод 3) с момента включения тиристора
, так как в его цепи управления появляется ток
> 0. Тиристор
будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.
Рис. 2.40. Временные диаграммы напряжений на нагрузке
и между катодом и анодом одного из тиристоров
Временная диаграмма напряжения на нагрузке (рис. 2.40г) поясняет работу силовой части двухполупериодного выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и угле управления = 45 о .
При изменении угла будет изменяться время работы тиристоров и величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:
,
г
де
– напряжение холостого хода выпрямителя при
= 0.
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления называется регулировочной характеристикой. На рис. 2.41 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки.
Рис. 2.41. Регулировочная характеристика управляемого
выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку
При увеличении тока нагрузки 
среднее значение выпрямленного напряжения
будет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимость
называетсявнешней характеристикой управляемого выпрямителя. Так как потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах 
имеют постоянный наклон (рис. 2.42).
Рис. 2.42. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя
Трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 2.43а.
Рис. 2.43. Схемы и временные диаграммы трехфазных
Принцип его работы заключается в том, что каждую треть периода ток проводит тот из диодов, который в данный момент времени имеет наибольшее положительное напряжение. На двух других диодах результирующее напряжение оказывается обратным и они не могут проводить ток. Так как фазы с наибольшим положительным напряжением последовательно сменяются, соответственно сменяются и открытые диоды. Такое самопроизвольное переключение диодов называют естественной коммутацией. В результате диоды 
,
,
последовательно открываются и закрываются, поочередно подключая к нагрузкеRн фазные обмотки с фазными напряжениями 
. Выходное напряжение соответствует на диаграмме огибающей входных фазных напряжений. В таком выпрямителе коэффициент пульсацииkп = 0,25, частота пульсаций в три раза превышает частоту питающей сети, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 = 1,17 U2ф.
М
еньшую пульсацию дает трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.43б). В нем, как и в однофазном мостовом выпрямителе, в каждый момент времени ток через нагрузку Rн пропускает пара диодов (один из верхней группы – 
,
,
и один из нижней группы –
,
,
), причем та пара, на которую действует наибольшее линейное напряжение (положительное или отрицательное). Через каждую
периода пары сменяются в результате естественной коммутации диодов (вентилей) и напряжение на выходе формируются из отрезков полуволн линейных напряжений, как показано на диаграмме. Коэффициент пульсацииkп 
0,05, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 = 2,34 U2ф.
Однофазные выпрямители применяются чаще всего в качестве маломощных источников постоянного тока. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя располагают электрические фильтры (емкостные C, индуктивные L или более сложные Г – образные и П – образные, состоящие из L и C).
Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузок большой мощности. При необходимости дополнительного сглаживания пульсаций в мощных выпрямителях применяют катушки индуктивности, включаемые последовательно с нагрузкой [11].
Устройство и структура выпрямителя
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.
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
Выпрямители с умножением напряжения
Выпрямители с умножением напряжения используются в том случае, когда необходимо, чтобы входное переменное напряжение было ниже, чем выходное постоянное. К данному виду выпрямителей относятся выпрямитель Вилларда, умножитель Кокрофта — Уолтона, выпрямитель Грайнахера и мостовой удвоитель напряжения.
Выпрямитель Вилларда состоит из конденсатора (включенного последовательно с обмоткой) и диода (включенного параллельно нагрузке). Его особенность заключается том, что в нем в качестве сглаживающего фильтра используется дроссель. Выпрямитель Грейнахера состоит из двух диодов, а в качестве сглаживающего фильтра в нем используется конденсатор, данная схема применяется в амплитудных детекторах радиоприемников. Умножитель Кокрофта-Уолтона предоставляет возможность в увеличении выходного напряжения в несколько раз. Кокрофт и Уолтон использовали его для проведения первого эксперимента по расщеплению атомных частиц в ускорителе. В настоящее время он применяется в системах, где есть необходимость в получении очень высокого напряжения.
У выпрямителей с умножением напряжения есть несколько недостатков относительно других видов. К ним относятся высокий уровень пульсации и высокое внутреннее сопротивление.
Электрический выпрямитель
Электри́ческий выпрями́тель, преобразователь переменного электрического тока в постоянный . Основной элемент электрического выпрямителя – электрический вентиль , пропускающий ток только или преимущественно в одном направлении. В результате периодической коммутации вентилей на выходе электрического выпрямителя формируется однонаправленный пульсирующий ток.
По типу применяемого вентиля электрические выпрямители разделяют на:
- вакуумные (кенотронные);
- газоразрядные;
- полупроводниковые;
- электроконтактные;
по схеме выпрямления на:
- одно- и двухполупериодные;
- мостовые;
- с нулевым выводом;
по числу фаз питающей сети на:
В зависимости от назначения электрические выпрямители выполняют нерегулируемыми (обычно диодными) или регулируемыми (на основе управляемых вентилей и электрических ключей). Подключение электрических выпрямителей к источнику питания осуществляется непосредственно (прямые электрические выпрямители) или с помощью согласующего трансформатора .
Простейший однофазный однополупериодный электрический выпрямитель содержит полупроводниковый диод , активную нагрузку и источник переменного напряжения. Напряжение на нагрузке характеризуется средним значением (постоянная составляющая) и пульсацией (переменная составляющая). Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (тока) между выходом электрического выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр. Получили распространение однофазные схемы выпрямления с двойным преобразованием энергии, содержащие наряду с выпрямителями и сглаживающими фильтрами высокочастотный инвертор и высокочастотный согласующий трансформатор, что позволяет существенно улучшить выходные показатели (по сравнению с прямыми электрическими выпрямителями). Однофазные электрические выпрямители широко применяются в системах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и телемеханики , а электрические выпрямители, в которых наряду с выпрямлением осуществляется умножение выпрямленного напряжения, – в высоковольтных установках, предназначенных для испытания электрической изоляции , в рентгеновской аппаратуре , электронных осциллографах и др.
При трёхфазном источнике питания за счёт увеличения числа фаз согласующего трансформатора и каскадного (параллельного или последовательного) соединения вентильных блоков можно получить многофазные схемы выпрямления (с числом фаз 6, 12, 24 и более). Многофазные электрические выпрямители имеют более низкий уровень пульсации выходного напряжения и лучшую форму потребляемого от сети тока. Кроме того, каскадное соединение вентильных блоков позволяет повысить выходное напряжение (при последовательном соединении) или увеличить допустимый выходной ток (при параллельном соединении). Такие электрические выпрямители применяют в основном для питания мощных промышленных установок.
Ю. К. Розанов. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2006.
Опубликовано 30 марта 2023 г. в 19:04 (GMT+3). Последнее обновление 30 марта 2023 г. в 19:04 (GMT+3). Связаться с редакцией
Примеры применения выпрямителей тока
Выпрямители тока играют важную роль в современной электронике, и их можно найти в большинстве устройств, которые используют электричество. Ниже приведены несколько примеров применения выпрямителей тока.
Питание электронных устройств
Большинство электронных устройств, таких как телевизоры, компьютеры и мобильные телефоны, требуют постоянного тока для работы. Поскольку стандартная электросеть предоставляет переменный ток, выпрямители тока используются в блоках питания этих устройств для преобразования AC в DC.
Зарядные устройства
Выпрямители тока также встречаются в зарядных устройствах для батарей. Батареи, такие как те, что используются в автомобилях или мобильных телефонах, требуют постоянного тока для зарядки. Поэтому зарядные устройства содержат выпрямители, которые преобразуют переменный ток из электросети в постоянный ток, необходимый для зарядки.
Электронные системы автомобилей
В автомобилях выпрямители тока используются в генераторе для преобразования переменного тока, который он производит, в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора автомобиля и питания электронных систем автомобиля.
Аудио и радио устройства
В аудио и радио устройствах выпрямители тока используются для обработки аудио- и радиосигналов. Например, они используются в радиоприемниках для демодуляции амплитудно-модулированных (AM) сигналов. Таким образом, выпрямители тока играют ключевую роль в большинстве электронных устройств, и без них многие из наших повседневных устройств не смогли бы функционировать.
Частые проблемы и решения при работе с выпрямителем тока
Как и любое другое электронное устройство, выпрямители тока могут столкнуться с рядом проблем, которые могут затруднить их работу. Рассмотрим некоторые из самых распространенных проблем и их возможные решения.
1. Сгорание диодов
Это является одной из наиболее распространенных проблем при работе с выпрямителями тока. Сгорание диодов может быть вызвано перегревом или перегрузкой. Решением может быть замена сгоревшего диода на новый. Также важно убедиться, что диоды, используемые в вашем выпрямителе, подходят для мощности и напряжения, которые вы планируете использовать.
2. Пульсация на выходе
Даже после процесса выпрямления и сглаживания, могут наблюдаться небольшие пульсации постоянного тока на выходе выпрямителя. Это может быть вызвано неэффективным сглаживающим конденсатором или неправильным выбором конденсатора. Возможным решением может быть замена конденсатора на более подходящий или увеличение емкости сглаживающего конденсатора.
3. Низкая эффективность
Низкая эффективность выпрямителя тока может быть вызвана различными факторами, включая потери в диодах и трансформаторе, а также пульсации на выходе. Возможными решениями могут быть замена диодов или трансформатора на более эффективные модели, или использование выпрямителя с большим количеством диодов, такого как мостовой выпрямитель.
4. Высокая температура работы
Высокая температура может быть вызвана перегрузкой или неадекватной теплоотводящей системой. Решением может быть установка дополнительного радиатора для лучшего отвода тепла или использование выпрямителя с большей мощностью, который может справиться с высокими нагрузками. При возникновении любых проблем с выпрямителем тока всегда рекомендуется обратиться к специалисту или производителю устройства для более точной диагностики и решения проблемы.
Одиночный четвертьмост
Более правильное название – однополупериодный выпрямитель. Простейший вариант на основе одного полупроводникового вентиля, в качестве которого выступает диод. Выдают погрешность стабилизации тока более 10 %, из-за чего нуждаются в дополнении фильтрами для сглаживания пульсирующего тока до постоянного. По этой причине цепь выходит слишком сложной и требует большего питания, так что в промышленности такие модели применяют редко. Зато они удобны для компьютерной техники с частотой синусоид порядка 10 герц. Другие минусы – малая мощность, постепенное намагничивание в процессе работы, частая пульсация. Главный плюс – дешевизна.
Такая схема выпрямителей напряжения представляет собой простое механическое усложнение предыдущей. Для ее сборки берут два четвертьмоста с одинаковыми характеристиками (временем прохождения волны, мощностью и т. д.). Их подсоединяют в цепь так, что положительная полуволна разделяется еще на две части, каждая из которых проходит через один из четвертьмостов пары в одно и то же время. Таким образом, скорость стабилизации переменного тока возрастает, а ее погрешность сокращается примерно на 30-40 %, так как частота пульсация половины полуволны, конечно, ниже, чем у целой полуволны. Но основные недостатки четвертьмостов остаются и здесь.
Два полных моста последовательно
Это относительно редкая двухфазная схема выпрямителей напряжения. Она включает два полных диодных моста, каждый из которых состоит из четырех силовых диодов. Один мост может быть анодным и пропускать положительную полуволну переменного тока, другой – катодным, через него пойдет отрицательность половина синусоиды. Мосты подключены параллельно, так что обе части волны проходят одновременно. При этом каждая из половин разделяется на четыре потока, каждый из которых пульсируют значительно слабее. А общее электрическое сопротивление контура при такой конструкции возрастает в четыре раза, также снижая пульсацию тока на выходе из системы.
Это конструкция двухполупериодного выпрямителя напряжения. Она состоит из трансформатора и двух диодов, что позволяет проводить электричество в течение обеих частей цикла переменного тока. То есть одна полуволна идет через один диод, в то же самое время другая – через другой, при этом по одному полупроводниковому элементу течет положительная часть синусоиды, а по-другому – отрицательная. Такая система позволяет снижать амплитуду колебаний переменного тока в два раза. Технически это достигается подключением диодов ко вторичной обмотке трансформатора, при этом обмотка имеет центральный отвод и обеспечивает высокое сопротивление входящему току.
Умножитель напряжения.
Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.
На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.
Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.
Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.
Трёхфазные выпрямители.
Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.
Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.
Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.
В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.
Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.
Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».
