2. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Выпрямление переменного тока, т.е. преобразование его в постоянный (пульсирующий) ток, производится при помощи нелинейных элементов, которые обладают весьма малым активным сопротивлением в прямом направлении и весьма малой активной проводимостью в обратном направлении (обладают односторонней проводимо
стью). Устройства таких нелинейных элементов с резко несимметричной вольтамперной характеристикой (см. рис. 1.2, 1.4) называют вентилями. К ним относятся электронные лампы, газотроны, тиратроны, меднозакисные, селеновые, германиевые, кремниевые полупроводниковые вентили.
Вольтамперной характеристике (рис. 1.10, а) соответствует схема замещения, состоящая из идеального вентиля и последовательно присоединенного резистора с сопротивлением rВ (рис. 1.10, б), а ВАХ (рис. 1.10, в) – схема замещения идеального вентиля и источника постоянной ЭДС Е = UВ (рис. 1.10, г).
В зависимости от схемы включения выпрямительных диодов и источников питания различают однофазное однополупериодное и двухполупериодное выпрямление и трехфазное выпрямление.
При включении идеального вентиля (rВ = 0) последовательно с нагрузкой, имеющей активное сопротивление r (рис. 1.11, а), для прямого (положительного) полупериода напряжения (u > 0) u = Umsinwt ток равен:
для обратного напряжения (отрицательный полупериод u (рис. 1.11, б):
То есть по цепи идет ток одного направления – проходит одна полуволна синусоидального тока.
Так как интеграл под корнем в последнем выражении в два раза меньше его значения при отсутствии диода при протекании синусоидального тока, то
т.е. действующее значение тока (I) зависит от действующего напряжения (U) источника питания по линейному закону.
Действующее значение напряжения на приемнике равно:
Активная мощность в сопротивлении приемника в два раза меньше мощности, выделяемой при отсутствии диода:
Коэффициент мощности (c) не равен единице не из-за реактивного сопротивления, которое может быть включено в цепь для уменьшения пульсаций переменного тока, а из-за искажения формы кривой тока (i) по сравнению с кривой (u) напряжения источника питания.
Полученная кривая однополупериодного выпрямленного тока (см. рис. 1.11, б) может быть разложена в ряд Фурье:
При этом постоянная составляющая тока равна его среднему значению, определяется следующим образом:
Выпрямительный диод: параметры и схема
Виды выпрямителей
В зависимости от способа включения полупроводниковых диодов все выпрямители переменного тока подразделяются на следующие виды:
- однополупериодные (полуволновые);
- двухполупериодные (полноволновые со средней точкой или схемы Миткевича);
- мостовые или выпрямители Гретца;
- выпрямители с удвоением рабочего напряжения и другие, менее распространенные схемы.
Однополупериодное включение – самые простой способ, используемый для выпрямления переменного тока. Другое название – нулевая выпрямительная схема.
Однофазные мостовые выпрямители, так называемые схемы Гретца на 4-х диодах, характеризуются высоким КПД, под которым понимается эффективность использования полученной от трансформатора мощности.
Напряжение на выходе полупроводниковых выпрямительных мостов является хорошей основой для последующего сглаживания и стабилизации — получения постоянного тока.
Они широко применяются в устройствах повышенной энергоемкости типа генераторов с выходными напряжениями от десятков до сотен Вольт. К их достоинствам относят:
Существенный недостаток мостовых схем – в два раза большее падение напряжения на диодах, что вынуждает при их разработке выбирать выходные параметры трансформатора с запасом. Эта часть полезной мощности теряется затем на переходах четырех диодов.
Типы выпрямителей по функциональным возможностям
По своему назначению и функциональным возможностям известные образцы выпрямителей делятся на однофазные и трехфазные устройства. Первые используются в электросетях многоквартирных и частных домов и предназначены для питания бытовой аппаратуры. Вторые представляют собой электронный модуль из 3-х однотипных узлов, изготавливаемых по одной из следующих схем:
Схема выпрямителя с удвоением напряжения лишь деталями отличается от уже рассмотренных вариантов. Такие устройства принято называть умножителями, которые легко собираются своими руками.
Выпрямительные диоды. Назначение, характеристики, виды
- Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
- набор из диодов (мостик);
- сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
- стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.
Основные соотношения при расчете выпрямителя
Для расчета 2-хполупериодного выпрямителя, выбранного в качестве примера, потребуется знать следующие исходные данные:
- входное напряжение, действующее во вторичной обмотке трансформатора;
- ток в диодах, протекающий в цепи с учетом нагрузки;
- емкость электролитического конденсатора, выбираемая, исходя из заданного коэффициента сглаживания пульсаций;
- максимальное напряжение на нем.
Важно учитывать падение напряжения на твердотельных диодах, находящихся в открытом состоянии.
Расчетные соотношения для этого случая представляются в следующем виде.
- Ток в обмотке трансформатора по величине равен максимальному его значению в нагрузке (Iобм= Iнагр).
- Напряжение во вторичной обмотке в режиме холостого хода составляет U2≈ 0,75Uнагр.
- Выпрямительные диоды рекомендуется брать со следующими параметрами: Uобр > 3,14Uнагр, а Iмакс > 1,57Iнагр.
Выпрямители широко применяются в самых различных областях электротехники и электроники, включая современные системы управления. Поэтому так важно разобраться с тем, что такое выпрямители тока и какие их разновидности используются при построении самых эффективных схем.
Схема включения выпрямительного диода
Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.
Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.
Использование сборки
- Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный – из керамики.
- Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
- Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.
