Выпрямители электрического тока

Выпрямитель электрического тока — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.[1][2]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором. Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

по виду переключателя выпрямляемого тока 

механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока (применяются в коллекторных генераторах постоянного тока, в механических выпрямителях при производстве алюминия) 

механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока 

с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные); 

с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные); 

по мощности 

силовые выпрямители (в силовой электронике, в энергетике) 

выпрямители сигналов (в радиоэлектронике и автоматике) 

по степени использования полупериодов переменного напряжения: 

однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну. Преимущество — минимум вентильных элементов. Недостаток — нагрузка трансформатора существенно зависит от фазы, из-за чего возникают дополнительные гармоники на выводах трансформатора. 

двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны. 

неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны. 

полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны. 

по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, бестрансформаторные и т. д. 

по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные 

по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и т. д. 

по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные). 

по количеству каналов — одноканальные, многоканальные. 

по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100В), средневольтовые (от 100 до 1000В), высоковольтные (свыше 1000В). 

по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр. 

по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые. 

по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные. 

по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые. 

по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой). 

по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные. 

по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами. 

по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные. 

Применение

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.

Блоки питания аппаратуры

Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.

Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые адаптеры (англ. AC-DC adaptor)). 

Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств. 

Выпрямители электросиловых установок

Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков. 

Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.

Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники. 

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электомеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

железнодорожной тяги 

городского электротранспорта 

электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.) 

питания приводов прокатных станов 

возбуждения генераторов электростанций 

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники 

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики. 

Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр) 

Установки очистки и обессоливания воды 

Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро) 

Для несинхронной связи энергосистем переменного тока[3] 

Для дальней передачи электроэнергии постоянным током[4]. 

Выпрямители высокочастотных колебаний

в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов. 

в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии. 

Детектирование высокочастотного сигнала

В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза болшей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.

Простейший диодный АМ детектор





Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя.

Демодулятор амплитудно модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов ёмкости и сопротивления выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты, при превышении амплитуды полупериодов несущей выше напряжения на конденсаторе ёмкость заряжается, при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал. При демодуляции сигнала звуковых частот (20—20000 Гц) как правило, применяется кремниевый или германиевый диод и конденсатор ёмкостью порядка 10—47 нФ.

Характеристики

Номинальное выходное напряжение постоянного тока и допустимый диапазон его изменения; 

Номинальный ток нагрузки; 

Диапазон эффективного входного напряжения переменного тока (например 220 В ± 10%); 

Допустимая выходная пульсация, её амплитудно-частотные характеристики; 

Нагрузочная характеристика. 

Эквивалентное внутреннее комплексное (в первом приближении активное) сопротивление. 

Коэффициент использования габаритной мощности трансформатора. 

Типовые схемы

Однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения

Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Вентель.

Вентиль в электротехнике — это общее название для устройств, сопротивление которых зависит от направления протекающего через них тока (или полярности приложенного к нему напряжения)[1]. Можно представить вентиль, как ключ, который замыкается при одной полярности приложенного к нему напряжения, и размыкается при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока бесконечна, в другом направлении — равна нулю. В реальности сопротивление приборов, используемых в качестве вентилей может быть не только конечным, но и может зависеть от величины напряжения на них и проходящего через них тока.

Вентили могут быть управляемые и неуправляемые. Управляемый вентиль отличается тем, что открытием/закрытием его управляет не только приложенное к основным выходам напряжение, но и сигнал, подаваемый на дополнительный управляющий вход. Примером неуправляемого вентиля является выпрямительный диод, а управляемого — Тиристор.

По принципу действия вентили можно разделить на электронные и ионные (газотроны, игнитроны, электролитические). Электронные в свою очередь бывают вакуумными и полупроводниковыми.