Как выглядит выпрямитель. Что такое выпрямитель и как он работает

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель .

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети - 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 - 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше "провалов" напряжения - тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов - общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема . Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop - V F ). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 - 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V F , т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения .

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор - смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

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.

Выпрямителем электрического тока называют особое устройство, которое предназначено для получения выходного постоянного электрического тока из входного переменного тока. В большинстве выпрямителей принимают фильтры, чтобы сгладить создаваемые ими однонаправленные пульсирующие напряжения и токи.

Зачем нужен выпрямитель

Основным недостатком гальванических элементов, питающих многие электроприборы, является малый срок их службы. Эти неудобства особенно ощутимы, если нагрузке требуются токи большой силы. Для питания электронных потребителей лучше всего подходит электрический ток промышленной электросети. Но подключать устройство, предусмотренное для питания батареей, непосредственно в сеть нельзя. Необходимо преобразовать переменное напряжение сети в постоянное. Поэтому очень полезно разобраться в том, как сделать выпрямитель. Для питания аппаратуры обычно используются напряжения меньше, чем напряжения сети. Это достигается благодаря применению силового трансформатора. Затем преобразуют переменное напряжение в постоянное. Постоянное получают в два этапа:

сначала переменное изображение преобразуют в пульсирующее, то есть, изменяющееся от нулевого значения только в одну сторону. После этого фильтр преобразовывает пульсирующее напряжение в постоянное.

Виды выпрямителей

• Однополупериодный – выпрямитель, состоящий из конденсатора и одного полупроводникового диода. Его конструкция очень простая. Отличается малым коэффициентом полезного действия, поэтому используется только для питания маломощных потребителей.
• Двухполупериодный – выпрямитель, состоит из обмоток трансформатора, конденсатора и четырех диодов. Обычно его выполняют по мостовой схеме. Применяется для питания радиоаппаратуры.

Диоды выбирают по таким параметрам: величине постоянного (выпрямленного) тока на выходе выпрямителя и величине обратного напряжения. Эти параметры берутся из справочников. Выпрямленный ток не может быть меньшим, чем ток, который потребляет нагрузка. Диоды не будут нагреваться, если выпрямленный ток будет большим в 2 раза, чем ток необходимый потребителю. Обратное напряжение состоит из напряжения вторичной обмотки и напряжению на конденсаторе.

Изготовление выпрямителя

• Возьмем полулитровую стеклянную банку или стакан, пластины площадью 40х100 мм – алюминиевую и медную, резиновую трубу с диаметром 2 см. Отрежем 2 см от трубы и наденем на алюминиевую пластину. Это делается потому, что электролит во время работы сильно разъедает алюминий. Если на него надеть резину, то она защитит металл от коррозии, и выпрямитель прослужит гораздо дольше.
• Как электролит будем использовать раствор питьевой соды. Ее понадобится 5-7 грамм на 100 мл воды. За положительный полюс примем алюминий, а за отрицательный - свинец. Ток пойдет, если подключить выпрямитель свинцовой пластиной в сеть. Но идти ток будет только в одном направлении. Алюминиевая пластина будет постоянным положительным полюсом напряжения.
• Если в сеть включить алюминиевую пластину, то свинцовая пластина будет выступать отрицательным полюсом. Это будет однополупериодный выпрямитель, через который течет ток только одного полупериода. В этом случае будет течь ток положительного направления.
• Двухполупериодные выпрямители применяют, чтобы полностью использовать напряжение. Количество элементов, из которых они состоят, зависит от необходимой величины выпрямленного тока. Подключают их в обе фазы электросети.
• Используйте предохранители, когда включаете прибор в сеть. При помощи реостата можно регулировать напряжение.

Расчет выпрямителя

• Определим переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

  Uн - постоянное напряжение нагрузки, В;

  В - коэффициент, который зависит от тока нагрузки.

• Определяем максимальный ток, протекающий через диоды:

  Iд = 0,5 С Iн,

  Iд – ток, идущий через диод,

  Iн - наибольшее значение тока,

  С - коэффициент, зависящий от нагрузки.

• Определим обратное напряжение:

  Uобр = 1,5 Uн,

  Uобр - обратное напряжение,

  Uн - напряжение нагрузки.

• Выберем диоды, у которых величина выпрямленного тока и обратного напряжения выше расчетных.
• Найдем величину емкости конденсатора:

  Сф = 3200 Iн / Uн Kп,

  Сф - емкость конденсатора фильтра,

  Iн - максимальный ток нагрузки.;

  Uн - напряжение на нагрузке,

  Kп – коэффициент пульсации (10 -5 -10-2).

Сварочный выпрямитель

Сварочный выпрямитель ВД применяется в качестве источника питания при сварке любыми электродами. Его используют для исключения межтоковых перерывов при сварке, благодаря чему получается качественный сварочный шов.

• Выпрямитель универсален, может использоваться в самых тяжелых условиях работы.
• Нечувствителен к температурным колебаниям, изменению влажности, падению напряжения в сети, запыленности.
• Надежен
• Долговечен
• Имеет небольшую стоимость и способен заменять дорогие установки.

Теперь вы знаете все о том, кто хочет знать, как сделать выпрямитель в домашних условиях. Это позволит вам решить проблемы по его отсутствию самостоятельно и с наименьшей затратой средств.

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и . 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

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Блок вентилей, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, 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 U 2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U н .

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f 1 с сетью питания U 1 , I 1 , и нагрузочную цепь с U н, I н одновременно. 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.

Блок вентилей

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В вентильном блоке применяются чаще всего элементы в .

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 , симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам. Рассмотрим основные признаки разделения выпрямителей.

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 U 2 за один период:

• Однотактные (имеют один полупериод).
• Двухтактные (два полупериода).

По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

• Управляемые . В схеме применяются , тиристоры.
• Неуправляемые . Используются .

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.

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, I 1 , U 1 — рабочая первичная величина тока и напряжения, I 2 , U 2 – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления

Рассмотрим схемы для устройств выпрямления напряжения отдельно для 1-фазных и 3-фазных выпрямителей.

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 (е 2) 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 е 2 , 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.

В осветительной электрической сети, от которой получают питание все бытовые электроприборы, как правило, течёт переменный ток. Редкое исключение составляют небольшие сельские посёлки, где электростанции дают постоянный ток.

Радиоприемники, магнитофоны, электропроигрыватели и другие устройства работают на электронновакуумных лампах или полупроводниковых приборах, на электроды которых необходимо подавать напряжение постоянного тока. Зарядка аккумуляторов может быть произведена только постоянным током. Ряд производственных процессов на заводах, как например, хромирование, невозможно осуществить, если не имеется постоянного напряжения.

Почему же наши электростанции дают переменный ток? Ведь электронагревательные приборы и электромоторы так же хорошо будут работать и на постоянном токе? Объясняется это главным образом тем, что переменный ток можно легко трансформировать (преобразовать) в различные напряжения, что нельзя делать с постоянным током. Передачу энергии переменного тока по линии электропередачи можно осуществить со значительно меньшими потерями, чем при постоянном токе, вследствие того, что напряжение в линии в этом случае может составлять десятки и сотни тысяч вольт. В месте потребления напряжение понижается на трансформаторных подстанциях и в наши квартиры и на заводы подается переменное напряжение 127 или 220 в.

Как же получить постоянное напряжение, необходимое для нормальной работы некоторых приборов?

Для преобразования переменных напряжений в постоянные служит выпрямитель. Понять, как работает выпрямитель, можно, только ясно представляя, что такое переменный ток. Переменным током называется такой ток, направление и величина которого меняются во времени.

В осветительной сети, по принятому в нашей стране стандарту, направление тока меняется 50 раз в секунду, или, как говорят, частота промышленного тока равна 50 периодам (герцам). Это означает, что в какой-то период времени ток в сети равен 0, затем ток начинает плавно возрастать, достигает максимального (амплитудного) значения, после чего ток в сети постепенно уменьшается и становится равным нулю. После этого направление тока снова изменяется и ток опять плавно возрастает до максимального значения, а затем вновь уменьшается до нуля. Этот процесс напоминает качели, которые, качаясь около положения равновесия (нулевое значение тока), поднимаются на максимальную высоту (максимальное значение тока), затем опускаются, опять поднимаются и т. д. Такой процесс изменения тока называют периодическим. В нашей электросети такой процесс повторяется пятьдесят раз в секунду, т. е. ток (напряжение) имеет пятьдесят периодов в секунду, изменяя своё значение по синусоидальному закону.

Графически картина изменения тока в сети представлена на рис. 1. Такой график получается, если на вертикальной оси откладывать значения тока или напряжения, а по горизонтальной оси - отрезки времени, отсчитываемые от какого-то момента, принимаемого за начало отсчёта.

Задачей выпрямителя является получение постоянного напряжения из переменного; Постоянное напряжение графически можно изобразить так, как это показано на рис. 2. Постоянный ток не меняет ни своего направления, ни своей величины.

Процесс выпрямления переменного тока (напряжения) заключается в том, что на пути тока в электрической цепи включается элемент - вентиль, который пропускает ток только в одном направлении (одного знака). Схематично электрическая цепь переменного тока с вентилем представлена на рис. 3. Односторонняя проводимость вентиля приводит к тому, что только в положительные полупериоды ток проходит через вентиль, а в отрицательные полупериоды (отмеченные на рис. 1 знаком "-") тока в цепи нет. Графически ток в такой цепи можно изобразить так, как это показа но на рис. 4. При положительной полуволне сопротивление вентиля мало и ток свободно проходит через него. При отрицательной полуволне ток встречает большое сопротивление, так как в обратном направлении сопротивление вентиля в сотни и даже тысячи раз больше и ток через него не проходит. Таким образом, включив в электрическую цепь переменного тока вентиль, мы уже не получаем в этой цепи переменного тока. Ток в этой цепи будет меняться только по величине и не будет изменять своего направления. Такой ток называют пульсирующим. Использовать его можно, например, для зарядки аккумуляторов. Для питания радиоаппаратуры такой ток не годится. Требуется дальнейшее его сглаживание, с тем чтобы ток превратился из пульсирующего в постоянный. Это достигается применением фильтра.

В простейшем случае роль фильтра может выполнять конденсатор достаточно большой ёмкости. На рис. 5 показана схема цепи с вентилем и конденсатором С, являющимся фильтром. Сглаживание пульсаций (фильтрация) выпрямленного тока осуществляется вследствие того, что конденсатор заряжается током, проходящим через вентиль, и запасает электрическую энергию. Как только ток через вентиль начнет уменьшаться и напряжение на нагрузке Rн выпрямителя начнет падать, - а это происходит в конце каждого положительного полупериода, - конденсатор отдаёт накопленную им за положительный полупериод энергию. Графически это изображено на рис 6. Как видно из рисунка, ток ещё не стал совсем постоянным и заметны резкие пульсации. Необходим более совершенный фильтр, который на нагрузке обеспечил бы постоянный ток с очень незначительными пульсациями, которые не будут оказывать существенного влияния на работу устройства, питаемого от выпрямителя.

Существует несколько типов выпрямителей. Наиболее простым из них является однополупериодный, схема которого изображена на рис. 7. В таком выпрямителе используются только положительные полупериоды выпрямленного тока. Частота пульсаций этого тока равна частоте сетевого напряжения и для сглаживания пульсаций выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме, требует хорошего фильтра. Такие выпрямители используются для питания аппаратуры, потребляющей незначительный ток, так как при возрастании тока необходимо будет усложнять фильтр выпрямителя.

Более распространена двухполупериодная схема выпрямления, где (см. рис. 8) используются два вентиля В1 и В2. Ток в нагрузке протекает всё время в одном направлении. Выпрямление напряжения происходит следующим образом. В какой-то момент времени на одном (верхнем, по схеме} выводе вторичной обмотки трансформатора Тр1 будет положительное напряжение по отношению ко второму (нижнему) концу. Ток пойдёт через вентиль В1, и имеющий в прямом направлении маленькое сопротивление, затем через нагрузку на среднюю точку вторичной обмотки трансформатора. На рис. 8 прохождение тока показано сплошной стрелкой. Так будет продолжаться в течение первого положительного полупериода. При изменении направления тока в сети на верхнем конце трансформатора будет уже отрицательное напряжение и ток через вентиль B1 не пойдёт, так как вентиль будет иметь очень большое сопротивление. На нижнем конце вторичной обмотки трансформатора теперь будет положительное напряжение и ток пойдёт уже через вентиль В2, нагрузку и на среднюю точку вторичной обмотки - трансформатор Тр1.

При таком включении вентилей используются уже оба полупериода выпрямляемого напряжения. Частота пульсаций в таком выпрямителе в два раза больше и поэтому значительно облегчается фильтрация выпрямленного напряжения. По двухполупериодной схеме собраны почти все выпрямители для радиоприёмников, телевизоров и магнитофонов.

Существует ещё мостовая схема включения выпрямителя. В этом случае выпрямление происходит по двухполупериодной схеме, но трансформатор имеет более простую конструкцию, вторичная обмотка его содержит в два раза меньше витков и не требуется вывода от средней точки. Однако в выпрямителе, собранном по мостовой схеме, необходимо в два раза больше вентилей, чем при двухполупериодной схеме. Схема мостового выпрямителя изображена на рис. 9. Стрелками указано прохождение тока в оба полупериода.

В качестве вентиля для выпрямления переменного тока могут быть использованы селеновые или купроксные шайбы , кенотроны, газотроны или полупроводниковые диоды.

Для питания массовой радиоаппаратуры наибольшее распространение получили кенотронные и селеновые выпрямители. За последнее время начинают всё шире использоваться германиевые силовые диоды типа ДГ-Ц21-27.

Кенотрон представляет собой вакуумную, обычно стеклянную, радиолампу, имеющую два электрода - анод и катод. Двуханодный кенотрон имеет два анода. Вентильное свойство кенотрона проявляется в том, что ток через кенотрон может идти только в одном направлении - от анода к катоду. В обратном направлении - ток не пойдет, так как электроны вылетают только с поверхности нагретого катода и могут двигаться только на анод, если на нём в данный момент имеется положительное напряжение по отношению к катоду.

Простейшая однополупериодная схема выпрямителя с использованием в качестве вентиля кенотрона изображена на рис. 10. Направление тока I показано стрелкой. Конденсаторы С1 и С2 и дроссель Др1 составляют фильтр для сглаживания пульсаций. Подробно о фильтрах будет рассказано ниже.

Существует много различных типов кенотронов, каждый из которых рассчитан на определенные условия работы: одни позволяют получить большой выпрямленный ток при относительно низком напряжении, другие, наоборот, работают в выпрямителе, дающем высокое напряжение при ничтожно малом токе.

При конструировании выпрямителя прежде всего необходимо правильно выбрать тип кенотрона. Для этого нужно знать, какой ток и напряжение потребляет нагрузка, питающаяся от выпрямителя, и в соответствии с этими данными выбирать по справочнику подходящий тип кенотрона. Пусть требуется выбрать кенотрон, который предполагается установить в выпрямитель для питания приёмника. Приёмник имеет четыре лампы, не считая кенотрона.

Постоянное напряжение, потребное для питания радиоламп приёмника, равно 250 в. Общий ток, потребляемый анодно-экранными цепями всех ламп приемника, составляет около 40 мА.

Наиболее подходящим для нашего выпрямителя будет кенотрон 6Ц4П, который, по справочным данным, может обеспечить ток до 70 мА при двухполупериодной схеме выпрямления. По напряжению этот кенотрон также вполне подходит, так как для двухполупериодной схемы выпрямления обратное напряжение, возникающее в выпрямителе, не превышает тройного напряжения на нагрузке и равно 250х3 = 750 В, а кенотрон 6Ц4П выдерживает до 1000 В обратного напряжения.

В селеновом выпрямителе в качестве вентиля используют селеновые шайбы.

Селеновая шайба представляет собой железный диск или прямоугольную железную пластину, на которой с одной стороны нанесён тонкий слой полупроводника - селена. Сверху слой селена покрыт, для создания контакта, тонким слоем легкоплавкого металла.

Вентильные свойства селена проявляются в том, что он обладает односторонней проводимостью. Когда на железную пластину подан положительный полюс источника тока, селеновая шайба обладает ничтожно малым сопротивлением, и, наоборот, при смене полярности сопротивление шайбы возрастает в сотни раз.

Выбор селенового вентиля для выпрямителя производится также по току и напряжению, потребному для нагрузки. Необходимо помнить, что одна селеновая шайба выдерживает напряжение до 20 В, следовательно, если на нагрузке развивается напряжение больше этой величины, то селеновые шайбы нужно соединять последовательно.

Для нашего примера достаточно в каждое плечо двухполупериодного выпрямителя поставить по 13 шайб, так как напряжение на нагрузке равно 250 В и число шайб получится, если 250 В разделить на 20 В. Получившееся дробное число необходимо округлить до ближайшего целого. Чтобы определить, какого диаметра нужно поставить шайбы, необходимо помнить, что на один квадратный сантиметр поверхности селеновой шайбы допускается ток, равный 30 мА. Следовательно, чтобы определить площадь селеновых шайб для нашего выпрямителя, нужно разделить величину тока, потребляемого приемником, на допустимую плотность тока (величину тока, допустимую на 1 см 2). Площадь шайбы равна 40/30 = 1,33 см. Диаметр шайбы легко определить по известной формуле площади окружности

Sплощ = 0,25*π*D 2 ,

откуда диаметр шайбы равен

D = (4*S/π) 0,5 = (4*1,33/3,14) 0,5 ≈ 1,3 см.

Можно такого расчёта не производить и диаметр шайбы брать непосредственно из справочника. В случае, если у радиолюбителя имеются шайбы какого-то другого диаметра, то их можно использовать в этом выпрямителе. Если шайбы имеют больший диаметр, чем получился по расчету, их можно установить в качестве вентиля без всяких изменений в схеме выпрямителя, помня только, что допустимое напряжение на каждую шайбу не должно превышать 20 В.

В случае если диаметр имеющихся шайб меньше, чем получился по расчету, то шайбы можно соединить параллельно с таким расчетом, чтобы общая площадь двух параллельно соединённых шайб была равна или больше получившейся по расчету. При параллельном соединении шайб число их удваивается, так как необходимо соблюдать условие допустимого напряжения на каждую шайбу.

Расчёт вентиля, в качестве которого используется германиевый диод (рис. 11), производится аналогично. Зная ток нагрузки и напряжение на ней, выбирают по справочнику подходящий тип диода. Может случиться, что имеющиеся германиевые диоды типа ДГ-Ц не подходят по допустимому току или напряжению. Если диоды не подходят по току (ток нагрузки больше допустимого), то необходимо поставить несколько диодов, соединенных параллельно. Если диоды не подходят по напряжению, их соединяют последовательно. Расчёт числа последовательно соединенных диодов сводится к тому, чтобы выбрать такое количество диодов, при котором падение напряжения на каждом из них не превысило допустимого.

При последовательном соединении диодов типа ДГ-Ц каждый из них следует зашунтировать сопротивлением не менее 100 кОм мощностью до 1 Вт. Шунтировать диоды необходимо для выравнивания падения напряжения на каждом из них. Выпускаемые диоды имеют значительный разброс параметров, и может быть такой случай, когда на одном из них падение напряжения будет в несколько раз больше, чем на другом, что выводит диоды из строя. Этого не произойдет, если каждый диод будет зашунтирован сопротивлением и падение напряжения распределится равномерно между каждым диодом.

При параллельном соединении полупроводниковых диодов типа ДГ-Ц количество их рассчитывается по несложным формулам. Так, для диодов типа ДГ-Ц21 - 24 число параллельно соединённых диодов будет равно

Для диодов типа ДГ-Ц25 - 27 число параллельно соединённых диодов

n = 15,4I0 - 0,54.

В этих формулах I0 означает выпрямленный ток в амперах. Может случиться так, что число диодов n, рассчитанное по этим формулам, получается дробным. Тогда следует округлить это число до ближайшего большего целого числа. Иногда в расчете получается 0 или отрицательное число. Это означает, что необходимо поставить только один диод и никаких параллельных соединений делать не нужно, так как выбранный диод обеспечит требуемую величину выпрямленного тока.

Сглаживающий фильтр

Как указывалось выше, для сглаживания пульсаций после выпрямителя на его выходе включается фильтр. Обычно фильтр состоит из дросселя фильтра Др1 (рис. 12), обмотка которого, выполненная из нескольких тысяч витков тонкой проволоки, располагается на стальном сердечнике. В фильтр входит также два и более конденсаторов фильтра. На месте этих конденсаторов в подавляющем большинстве случаев применяются электролитические конденсаторы, имеющие сравнительно небольшие габариты и большую ёмкость (10...50 мкф}.

Фильтр значительно ослабляет переменную составляющую выпрямленного напряжения и мало влияет на постоянную составляющую, идущую на питание анодно-экранных цепей приёмника.

Качество фильтра определяется его коэффициентом фильтрации, который показывает, во сколько раз переменная составляющая на выходе фильтра ослабляется относительно переменной составляющей на его входе.

Допустимая величина переменной составляющей на выходе фильтра зависит от аппаратуры, которая питается от данного выпрямителя. Для усилителей низкой частоты амплитуда пульсаций анодного напряжения не должна превышать 0,5-1% от напряжения полезного сигнала, измеренного в анодной цепи данного каскада. Для каскадов усиления высокой и промежуточной частоты эта амплитуда не должна превышать 0,05-0,1% (0,1-0,2 В).

Работа фильтра зависит от произведения индуктивности дросселя на ёмкость конденсатора фильтра на выходе. Ёмкость этого конденсатора обычно берут в пределах 10-40 мкф. Индуктивность дросселя для маломощного выпрямителя обычно не превышает 20-30 Гн.

При прикидке данных фильтра можно пользоваться следующим правилом: произведение индуктивности катушки дросселя фильтра, выраженное в генри, на ёмкость конденсатора на выходе фильтра, выраженное в микофарадах, должно равняться 200.

Для улучшения фильтрации можно составлять сглаживающий фильтр из нескольких звеньев. Улучшения фильтрации можно также добиться путём применения настроенного дросселя, для этого параллельно дросселю фильтра подсоединяется конденсатор постоянной ёмкости (на рис. 12 это подключение показано пунктиром).

Ёмкость конденсатора берётся в пределах 0,05-0,1 мкф и в каждом отдельном случае находится опытным путём.

Дроссель фильтра можно включить как в «+», так и в «-» выпрямителя, это не скажется на качестве работы фильтра. В некоторых случаях, когда желательно воспользоваться падением напряжения на обмотке дросселя фильтра для подачи отрицательного смещения на управляющие сетки ламп усилителя приёмника, дроссель включают в минусовую цепь выпрямителя.

При питании малоламповых приемников вместо дросселя фильтра можно включить обмотки (или обмотку) трансформатора низкой частоты.

Конструктивно дроссель для сглаживающих фильтров аналогичен маломощному силовому трансформатору. Разница заключается в том, что трансформатор имеет несколько обмоток, дроссель только одну. Сердечник дросселя обязательно должен иметь воздушный зазор, который устраняет возможность магнитного насыщения сердечника постоянным током, протекающим по обмотке дросселя.

Магнитное насыщение уменьшает индуктивность дросселя, что ухудшает работу фильтра.

Конструктивно дроссель фильтра и силовой трансформатор выпрямителя можно рассчитать, руководствуясь статьей, напечатанной в приложении № 1 для начинающих, «Расчет и изготовление силового трансформатора» (разослано с журналом «Радио» № 5 за 1957 год). Следует только учитывать, что, задаваясь напряжением на выходе выпрямителя, нужно принять во внимание падение напряжения на дросселе фильтра и что в случае применения двухполупериодного кенотронного выпрямителя с конденсаторным фильтром эффективное напряжение и ток повышающей обмотки связаны с напряжением и током на выходе выпрямителя следующими соотношениями: напряжение на вторичной обмотке берётся в 2..2,2 раза больше напряжения на выходе выпрямителя, а ток в обмотке 1..1,2 I0. Токи и напряжения обмоток для накала ламп и кенотрона определяются данными накала кенотрона и ламп, для питания которых предназначен рассчитываемый выпрямитель.

Вместо дросселя фильтра иногда применяют активное сопротивление, которое для получения хорошей фильтрации должно иметь значительную величину.

Недостатком такого фильтра является большое падение напряжения на сопротивлении фильтра, поэтому применять такой фильтр можно только в маломощных усилителях. При расчёте выпрямителя с таким фильтром задаются допустимым падением выпрямленного напряжения на сопротивлении, включенном в фильтр, Uпад, после чего величину этого сопротивления R находят по формуле

где I0 - ток в мА, снимаемый с выпрямителя.

Очень часто для питания той или иной аппаратуры применяются различные постоянные напряжения. Для того чтобы использовать для этой цели один и тот же выпрямитель, на его вход включают цепочку из нескольких последовательно соединённых постоянных сопротивлений величиной по нескольку тысяч Ом. Эти сопротивления не должны быть очень большими, так как в противном случае напряжение, снимаемое с делителя, будет сильно зависеть от величины нагрузки. Они также не должны быть очень малыми, чтобы не перегружать выпрямитель.

Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное . Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике:

Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный мы постарались объяснить на пальцах. Но читатели все равно «не вкурили» ту статью, поэтому было решено написать еще одну статейку, но на этот раз разжевать все досконально.

Снова да ладом…

Придется возвращаться к истокам. Вместо трансформатора я возьму ЛАТР , который будет выдавать переменный ток:

Выставляем на ЛАТРе с помощью напряжение амплитудой в 10 Вольт:

Как мы можем увидеть в нижнем левом углу, частота нашего сигнала 50 Герц. Это и есть частота сети. Длина одного кубика по вертикали равна 2 Вольтам.

И спаиваем из них вот по такой схеме:

Подаем напряжение с ЛАТРа на диодный мост, а с других концов цепляем щуп осциллографа

Тыкаем щупом осциллографа в эти красные кружочки на схеме. Землю на один кружочек, а сигнальный на другой.

Смотрим, что получилось на дисплее осциллографа

Дело в том, что сопротивление щупа осциллографа обладает очень высоким , или иначе простыми словами: мы подцепили очень-очень высокоомный резистор к выходу диодного моста. Поэтому диодный мост в холостом режиме, то есть в режиме без нагрузки, не функционирует.

Для того, чтобы проверить диодный мост на работоспособность, нам надо его нагрузить . Это может быть резистор в несколько десятков или сотен Ом, лампочка, либо какая-нибудь электронная безделушка. В моем случае я взял лампочку накаливания на 12 Вольт от поворотника мотоцикла:

Цепляем ее к диодному мосту

Тыкаем щуп осциллографа в эти точки и смотрим осциллограмму

Как мы видим, напряжение с ЛАТРа чуть просело. Все зависит, конечно, от подключаемой нагрузки и мощности самого ЛАТРа. Про это я писал еще в статье

Теперь тыкаем щупом в эти точки

Классика жанра! Превращаем отрицательную полуволну в положительную и получаем «горки» с частотой в 100 Герц;-). Но ваш внимательный глаз ничего не заметил? Если даже мы и выпрямили напряжение с помощью диодного моста, то почему амплитуда каждой полуволны стала еще чуть меньше?

Дело все в том, что на диода в прямом смещении падает напряжение в 0,6-0,7 Вольт. Именно поэтому оно и вычитается с амплитуды напряжения, которое надо выпрямить.

Давайте теперь к диодному мосту запаяем конденсатор емкостью в 5000 мкФ и не будем цеплять никакую нагрузку

Тыкаем щупом сюда

Получили вот такую осциллограмму постоянного тока. Она в 1,41 раз больше, чем действующее (среднеквадратичное) значение сигнала с ЛАТРа (о действующем напряжении чуть ниже)

А теперь цепляем лампочку

Осциллограмма кардинально изменилась.

Как мы видим, напряжение просело и у нас получилась осциллограмма постоянного напряжения с небольшими пульсациями. Вот эти маленькие «холмики» и есть пульсации, в отличите от «гор» сразу после диодного моста с лампочкой-нагрузкой. Физический смысл здесь такой: конденсатор не успевает разряжаться на нагрузке, как снова приходит новая «горка» и снова заряжает конденсатор.

Правило диодного выпрямителя с конденсатором очень простое: чем больше емкость конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше по амплитуде будут пульсации, и наоборот.

Но почему у нас просело напряжение? Ведь было уже 10 Вольт постоянного напряжения на конденсаторе без нагрузки?

А как цепанули лампочку стало намного меньше…

В чем же проблема? А проблема именно в законе сохранения энергии…

Среднеквадратичное значения напряжения

Итак, давайте еще раз вспомним: что такое ?

Допустим, у нас есть лампочка накаливания. Я ее подцепил к источнику постоянного тока и она у меня загорелась с какой-то яркостью. Потом я цепляю эту лампу к источнику переменного тока и добиваюсь такого же свечения лампы. Форма сигнала постоянного и переменного напряжения разные, а мощность, выдаваемая в нагрузку, в данном случае лампочку, одинаковая. Можно сказать, что среднеквадратичное значение переменного тока равняется значению постоянного тока.

То есть если у нас лампочка на 12 Вольт, я могу подать на нее 12 Вольт с блока питания или 12 Вольт с ЛАТРа. Лампочка будет светить с такой же яркостью. Мультиметр в режиме измерения переменного тока показывает именно среднеквадратичное значение напряжения .

Итак, чему же равняется среднеквадратичное значение вот этого сигнала?

А давайте замеряем. Для этого я беру мой любимый прибор токоизмерительные клещи , в который встроен целый мультиметр с True RMS и начинаю замерять среднеквадратичное значение

Мультиметр показал 7,18 Вольт. Это и есть среднеквадратичное значение этого сигнала.

Для синусоидальных сигналов оно легко вычисляется по формуле:

где

U max — максимальная амплитуда, В

U Д — действующее (среднеквадратичное) значение напряжения, В

Как мы подцепили нагрузку, у нас сразу просела амплитуда напряжения с ЛАТРа, а следовательно, и среднеквадратичное значение напряжения

6, 68 Вольт. Хотя по формуле получается 9/1,41=6,38. Спишем на погрешности измерения.

Среднеквадратичное значение сложных сигналов

Но чему же равняется среднеквадратичное значение напряжения после диодного моста с включенной нагрузкой-лампочкой?

Для определения среднеквадратичного значения такого сигнала:

нам понадобится формула и табличка.

Вот формула:

где K a — это коэффициент амплитуды

U max — максимальная амплитуда сигнала

U — действующее (среднеквадратичное) значение сигнала

А вот и табличка:

Теперь ищем по табличке наш пульсирующий сигнал с выпрямителя. Как мы видим, его коэффициент амплитуды равен 1,41 или, если быть точнее, √2. То есть точно такой же, как и у синусоидального сигнала.

Вычисляем по формуле и получаем:

После того, как мы поставили конденсатор, у нас почти получилась осциллограмма постоянного тока с значением в примерно в 6 Вольт, если полностью усреднить нашу кривую, то есть пренебречь небольшими пульсациями. Можно даже сказать, что это значение постоянного тока будет равняться среднеквадратичному значению переменного тока номиналом в 6 Вольт. Не забываем, что 0,6-0,7 Вольт у нас падают на диодах.

Заключение

Итак, какие выводы делаем из всего вышесказанного и показанного? Среднеквадратичное значение напряжения на выходе диодного выпрямителя чуточку меньше, чем до диодного моста. По 0,6-0,7 Вольт падает на диодах. Если бы мы поставили диоды Шоттки, то выиграли бы 0,3-0,4 Вольта, так как падения на Шоттках 0,2-0,3 Вольта. Схема двухполупериодного выпрямителя, с энергетической точки зрения является очень неплохой и поэтому используется в большинстве радиоэлектронных устройств.