Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Выпрямитель напряжения электрической сети – устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. То есть ток на выходе из прибора получается не постоянный, а пульсирующий.

У постоянного тока напряжение и сила не меняются во времени, а у пульсирующего их значения колеблются в небольших пределах строго в положительной области, тогда как переменный ток захватывает и отрицательные значения. Для приведения пульсирующего тока к постоянному дополнительно применяют фильтры, устанавливаемые в сети после выпрямителя напряжения.

Данное оборудование одновременно является и инвертором на базе электрической машины – то есть может использоваться для обратного преобразования постоянного тока в переменный. Производят полупроводниковые, электровакуумные, механические виды данного устройства.

Сфера применения выпрямителей

В различных схемах выпрямители переменного напряжения применяют в следующих сферах:

• в железнодорожном сообщении, городском и пригородном электрическом транспорте для снабжения током контактных сетей трамваев, метро, троллейбусов, электровозов;
• на генераторных установках электростанций для инициирования выработки тока;
• в химическом производстве на электролитических установках для электрохимического осаждения металлов, а также производства щелочей, хлора, чистого алюминия;
• на металлургических комбинатах для питания силовых кабелей станов металлопроката;
• в альтернативной энергетике для повышения КПД солнечных батарей, беспроводной передачи электроэнергии, для решения других специфических задач отрасли.

Миниатюрные выпрямители напряжения тока встроены в схему блоков питания бытовой техники, в том числе электронной и радиоаппаратуры. Такие устройства входят в состав бытовых адаптеров.

Принцип работы выпрямителей

В основе принципа работы выпрямителей напряжения – свойства полупроводников. Это вещества со средней способность к проведению тока, которая, однако, возрастает при росте температуры рабочей среды. Одно из их свойств – пропускание электронов строго от анода (отрицательного полюса) к катоду (положительному). Переменный ток идет волнами-синусоидами, половина которых находится в положительной области, а другая половина – в отрицательной.

Выпрямитель напряжения в силу описанного свойства отсекает отрицательную часть волны, сокращая интервал ее колебания и время прохождения через устройство. Так получается пульсирующий ток, который ближе к постоянному, чем к переменному. Отрицательная полуволна при этом может инвертироваться, то есть обращаться в положительную. Этот процесс обеспечен конструкцией выпрямителя напряжения, состоящей из четырех вентилей и называемой мостовой.

Технические параметры выпрямителей

Данное оборудование описывается следующими основными техническими характеристиками:

• Мощность. Она определяет пределы допустимой нагрузки на устройство. Ее вычисляют, складывая нормативную мощность подключаемых к сети электроприборов и прибавляя еще 30 %. Единицы измерения – вольт-амперы или ватты. 1 ватт равен от 0,7 до 1 воль-ампера.
• Фазность. Это количество фаз в сети, к которой подключено стабилизирующее устройство. Однофазные выпрямители предназначены только для сетей с напряжением 220 вольт (В), трехфазные можно подключать к системам любой фазности, с напряжением 220 или 380 В.
• Входное напряжение. Это интервальное значение, в пределах которого устройство способно стабилизировать ток. Диапазон составляет примерно от 50 до 120 % номинального вольтажа. Например, при 220 вольтах интервал составит от 130 до 270 вольт, при 380 – от 200 до 450.
• Скорость стабилизации. Другое название – быстродействие. Это время в миллисекундах, необходимое для нейтрализации скачка напряжения. Чем быстрее прибор преобразует ток из переменного в постоянный, тем надежнее, безопаснее и эффективнее он работает.
• Точность стабилизации. Это допустимая погрешность, то есть разница между номинальным значением напряжения тока на выходе и реальным. В идеале она стремится к нулю, но на практике хорошей точностью считают разницу в 10 %, очень хорошей – 7%, отличной – 2 %.

В практическом отношении при выборе стабилизаторов напряжения следует учитывать такие их параметры, как размеры, масса, средства индикации (чаще всего – световые) и элементы контроля. Для крупных моделей важен также способ установки (напольный, навесной или стоечный).

Основные критерии классификации

Для систематизации выпрямителей напряжения используют различные критерии. Совмещенные классификации основаны на следующих пяти важнейших параметрах:

• количество включенных в работу периодов колебания синусоиды переменного тока (одно- и двухполупериодные модели с полным или неполным использованием электроволны);
• количество фаз (основные виды – одно- и трехфазные, описанные выше; реже применяют двухфазные и N-фазные конструкции, предполагающие неограниченное число фаз);
• принципиальный тип устройства (выпрямители с включением электронного моста, с умножением напряжения, а также модели с трансформаторами или без них);
• тип элемента, пропускающего синусоидную электрическую волну (ртутные, вакуумные, механические, тиристорные и диодные полупроводниковые конструкции);
• вид пропускаемой волны (бывают импульсные, аналоговые и цифровые преобразователи).

К перечисленным разновидностям выпрямителей напряжения относятся наиболее их распространенные схемы, описанные ниже.

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.

Два четвертьмоста параллельно

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.

Мостовая схема

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.

Схема из 12 диодов

Еще одна разновидность параллельных схем выпрямителей электрического напряжения. Такая конфигурация достаточно необычна, поэтому она распространена меньше других видов контуров. Двенадцать одиночных диодов подключены к цепи параллельно, а это означает, что полуволна синусоиды переменного тока, входящего в сеть, разделяется на 6 или 12 параллельных потоков. На 6 – если конструкция позволяет инвертировать отрицательную полуволну, на 12 – если отрицательная полуволна просто отсекается. В итоге колебания пропущенной через контур полуволны стремятся к нулю, и на выходе получается постоянный ток с минимальными пульсациями или вообще без них.

Три полных моста последовательно

Это еще один вариант трехфазной последовательной схемы выпрямителя напряжения тока. Она состоит из 12 диодов, сгруппированных в три полноценных моста по четыре диода каждый. Плюсы такой конструкции в том, что общий уровень сопротивления в системе в девять раз выше значения этого параметра для отдельного одиночного диода. Сопротивление на каждом мосте в три раза выше такового на каждом диоде. Это позволяет снизить амплитуду колебаний входящей волны, чтобы дальнейшие усилия по нормализации пульсирующего тока были минимальны. Устройство выдает ток с высокой силой и напряжением, что важно для электрогенераторов высокой мощности.

Схема Ларионова

Это трехфазная мостовая схема выпрямителя тока, разработанная советским профессором А. Н. Ларионовым в 1924 году. Она состоит из шести диодов и нормализует положительные полуволны, инвертируя и стабилизируя также и отрицательные части синусоид переменного тока. Шесть диодов организованы в мост и двух трехфазных групп: нижней катодной и верхней анодной. Отрицательный ток идет по катодной группе, положительный – по анодной. Каждая полуволна разделяется на три потока, поэтому пульсация к выходу из контура значительно снижается, иногда даже до нуля, то есть до идеального постоянного тока. При этом трансформатор в процессе работы не намагничивается.

Схема Миткевича

Более ранняя версия трехфазной мостовой схемы выпрямителя напряжения предложена в 1901 году российским, позднее советским профессором В. Ф. Миткевичем. В самом простой варианте она состоит из трех четвертьмостов (то есть, одиночных силовых диодов), соединенных параллельно. По сути, она представляет собой половину схемы Ларионова и работает, как правило, с положительной полуволной, просто отсекая отрицательную. Положительная часть синусоиды разделяется на три потока, что закономерно снижает пульсацию, хотя и не убирает ее полностью – небольшие фильтры все же нужны. Диоды подключаются к цепи через вторичную обмотку трехфазного трансформатора.

Дополнительные сведения

Иногда схему выпрямителей напряжения дополняют гальваническими развязками, включающие накопительные элементы для аккумуляции энергии. Такая модификация улучшает характеристики тока на выходе из стабилизатора: накопленная мощность позволяет частично снизить колебания пульсирующего тока. Кроме того, подача выпрямленного тока становится непрерывной: если модель не инвертирует отрицательную полуволну, то во время ее прохождения тока на выходе нет.

А применение гальванических развязок с батареями и конденсаторами дает возможность во время простоя подавать на выход ток, накопленный, пока проходила положительная полуволна. Продолжительность таких периодов – миллисекунды, но для электроснабжения это значительные временные промежутки. Описанная схема выпрямителя актуальна для усилителей напряжения, в которых важно отсутствие подобных технологических простоев.