выпрямитель

Чтобы узнать о других значениях, см. Выпрямитель (значения) .

«Преобразователь переменного/постоянного тока» перенаправляется сюда. Не путать с адаптером переменного тока .

Тиристор ( кремниевый выпрямитель ) и соответствующее монтажное оборудование. Толстая шпилька с резьбой крепит устройство к радиатору для рассеивания тепла.

Выпрямитель — это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC), который периодически меняет направление, в постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Обратная операция (преобразование постоянного тока в переменный) выполняется инвертором .

Этот процесс известен как выпрямление , поскольку он «выпрямляет» направление тока. Физически выпрямители принимают различные формы, включая ламповые диоды , мокрые химические элементы, ртутно-дуговые клапаны , стопки пластин из оксида меди и селена , полупроводниковые диоды , выпрямители с кремниевым управлением и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. Исторически даже синхронные электромеханические переключатели и мотор-генераторные установки использовались . Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками , использовали « кошачьи усы » из тонкой проволоки, прижимаемые к кристаллу галенита (сульфида свинца), чтобы служить точечным выпрямителем или «кристаллическим детектором».

Выпрямители имеют множество применений, но часто используются в качестве компонентов источников питания постоянного тока и систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . Выпрямление может использоваться не только для генерации постоянного тока для использования в качестве источника энергии. служить детекторами радиосигналов Как отмечалось, выпрямители могут . В системах газового отопления выпрямление пламени используется для обнаружения наличия пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и устройства схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения равномерного устойчивого напряжения. Многие применения выпрямителей, такие как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуют постоянного постоянного напряжения (которое создается батареей ) . В этих приложениях выходной сигнал выпрямителя сглаживается электронным фильтром , который может представлять собой конденсатор , дроссель или набор конденсаторов, дросселей и резисторов , за которым, возможно, следует стабилизатор напряжения для создания устойчивого напряжения.

Более сложная схема, выполняющая противоположную функцию, то есть преобразование постоянного тока в переменный, называется инвертором .

Выпрямительные устройства

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей термоэлектронные диоды батареи на основе оксида меди или селена . на электронных лампах и металлические выпрямительные использовались Первые ламповые диоды, предназначенные для применения в выпрямителях в цепях электропитания, были представлены в апреле 1915 года Солом Дашманом из General Electric. С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов лампового аудиооборудования . полупроводниковые диоды различных типов ( переходные диоды , диоды Шоттки Для выпрямления мощности от очень малого до очень большого тока широко используются и др.).

Другие устройства, которые имеют управляющие электроды и действуют как клапаны однонаправленного тока, используются там, где требуется нечто большее, чем простое выпрямление, например, когда необходимо переменное выходное напряжение. В мощных выпрямителях, например, используемых при передаче электроэнергии постоянного тока высокого напряжения , используются кремниевые полупроводниковые устройства различных типов. Это тиристоры или другие полупроводниковые переключатели с управляемым переключением, которые эффективно функционируют как диоды и пропускают ток только в одном направлении.

Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей могут быть однофазными и многофазными. Большинство выпрямителей малой мощности для бытового оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленного применения и для передачи энергии постоянного тока (HVDC).

Однофазные выпрямители

Полуволновое выпрямление

При полуволновом выпрямлении однофазного источника питания положительная или отрицательная половина волны переменного тока пропускается, а другая половина блокируется. Поскольку только половина входного сигнала достигает выхода, среднее напряжение ниже. Для полуволнового выпрямления требуется один диод в однофазном питании или три в трехфазном . Выпрямители выдают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; полуволновые выпрямители создают гораздо больше пульсаций , чем двухполупериодные, и для устранения гармоник частоты переменного тока на выходе требуется гораздо больше фильтрации.

Полупериодный выпрямитель, буква «U» обозначает напряжение, «D» обозначает диод, а «R» — сопротивление.

Выходное постоянное напряжение без нагрузки идеального полуволнового выпрямителя для синусоидального входного напряжения равно:

${\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}$

где:

V _dc , V _av – постоянное или среднее выходное напряжение,

V _пик , пиковое значение фазных входных напряжений,

V _rms , среднеквадратичное значение (RMS) выходного напряжения.

Полноволновое выпрямление

Полуволновой выпрямитель с вакуумной лампой и двумя анодами.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует весь входной сигнал в сигнал постоянной полярности (положительный или отрицательный) на своем выходе. Математически это соответствует функции абсолютного значения . Полупериодное выпрямление преобразует обе полярности входного сигнала в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и обеспечивает более высокое среднее выходное напряжение. с центральным отводом два диода и трансформатор или четыре диода в мостовой конфигурации и любой источник переменного тока (включая трансформатор без центрального отвода). Требуются Одиночные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом, а также четырех- и шестидиодные мосты изготавливаются как одиночные компоненты.

Мостовой выпрямитель: двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет центральное отвод, то два диода, включенных друг к другу (катод-катод или анод-анод, в зависимости от требуемой выходной полярности), могут образовывать двухполупериодный выпрямитель. Для получения того же выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора требуется в два раза больше витков, чем для мостового выпрямителя, но номинальная мощность не меняется.

Полуволновой выпрямитель с трансформатором с центральным отводом и двумя диодами.

Среднее и среднеквадратичное выходные напряжения холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя составляют:

${\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }&={\frac {2\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}$

с двумя диодами Очень распространенные электронные выпрямительные лампы содержали один общий катод и два анода внутри одной оболочки, что обеспечивало двухполупериодное выпрямление с положительным выходным сигналом. Популярными примерами этой конфигурации были 5U4 и 80/5Y3 (4-контактный)/(восьмеричный).

Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются для источников питания бытового оборудования. Однако для большинства промышленных и мощных приложений трехфазные выпрямительные схемы являются нормой. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму полуволновой цепи, двухполупериодной цепи с использованием трансформатора с центральным отводом или двухполупериодной мостовой схемы.

Тиристоры обычно используются вместо диодов для создания схемы, которая может регулировать выходное напряжение. Многие устройства, обеспечивающие постоянный ток, на самом деле «генерируют» трехфазный переменный ток. Например, автомобильный генератор содержит девять диодов, шесть из которых функционируют как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

Трехфазная полуволновая цепь

Схема управляемого трехфазного полуволнового выпрямителя с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Неуправляемая трехфазная полуволновая схема средней точки требует трех диодов, по одному на каждую фазу. Это самый простой тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высоких гармонических искажений как в цепях переменного, так и в постоянном токе. Говорят, что этот тип выпрямителя имеет количество импульсов, равное трем, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса на период частоты сети:

Пиковые значения $V_{\mathrm {peak} }$ этого трехимпульсного напряжения постоянного тока рассчитываются по среднеквадратичному значению $V_{\mathrm {LN} }$ входного фазного напряжения (фазное напряжение, 120 В в Северной Америке, 230 В в Европе при работе от сети): $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$. Среднее выходное напряжение без нагрузки $V_{\mathrm {av} }$ получается из интеграла под графиком положительной полуволны с длительностью периода ${\frac {2}{3}}\pi$ (от 30° до 150°):

${\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak} }\sin \varphi \,\mathrm {d} \varphi ={\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^{\circ }+\cos 30^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\approx 1.17V_{\mathrm {LN} }\end{aligned}}$

Трехфазная двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом

Схема управляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов и трансформатора с центральным отводом, без учета индуктивности питания.

Если питание переменного тока подается через трансформатор с центральным отводом, можно получить схему выпрямителя с улучшенными характеристиками по гармоникам. Для этого выпрямителя теперь требуется шесть диодов, по одному на каждом конце каждой вторичной обмотки трансформатора . Эта схема имеет число импульсов, равное шести, и, по сути, ее можно рассматривать как шестифазную полуволновую цепь.

До того, как стали доступны твердотельные устройства, полуволновая схема и двухполупериодная схема с трансформатором с центральным отводом очень часто использовались в промышленных выпрямителях с ртутно-дуговыми лампами . Это произошло потому, что три или шесть входов переменного тока можно было подать на соответствующее количество анодных электродов в одном резервуаре, имеющих общий катод.

С появлением диодов и тиристоров эти схемы стали менее популярными и наиболее распространенной стала трехфазная мостовая схема.

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый

Автомобильный генератор переменного тока в разобранном виде : шесть диодов , составляющих двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

В неуправляемом трехфазном мостовом выпрямителе шесть диодов используется , а число импульсов в схеме опять же равно шести. По этой причине его также часто называют шестиимпульсным мостом. Упрощенно схему B6 можно представить как последовательное соединение двух трехимпульсных центральных цепей.

Для применений с низким энергопотреблением двойные диоды, соединенные последовательно, при этом анод первого диода соединен с катодом второго, изготавливаются для этой цели как единый компонент. Некоторые коммерчески доступные двойные диоды имеют все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.

В приложениях с более высокой мощностью обычно используется одно дискретное устройство для каждого из шести плеч моста. Для самых высоких мощностей каждое плечо моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств, включенных параллельно (там, где необходим очень большой ток, например при выплавке алюминия ) или последовательно (где необходимы очень высокие напряжения, например в передача электроэнергии постоянного тока высокого напряжения ).

Управляемая трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя (B6C) с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания. Тиристоры пульсируют в порядке V1–V6.

Пульсирующее напряжение постоянного тока возникает в результате разницы мгновенных напряжений положительной и отрицательной фаз. $V_{\mathrm {LN} }$, сдвинутый по фазе на 30°:

Идеальное среднее выходное напряжение без нагрузки $V_{\mathrm {av} }$ схемы Б6 получается из интеграла по графику импульса напряжения постоянного тока с длительностью периода ${\frac {1}{3}}\pi$ (от 60° до 120°) с пиковым значением ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$:

${\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}$

$\Longrightarrow V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\Longrightarrow V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\approx 2.34V_{\mathrm {LN} }$

Трехфазный вход переменного тока, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные выходные сигналы постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное, так и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) напротив центральной точки трансформатора (или нейтрали) проводник) имеет разность потенциалов в виде треугольного синфазного напряжения . По этой причине эти два центра ни в коем случае нельзя соединять друг с другом, иначе могут возникнуть токи короткого замыкания. Таким образом, земля земли трехфазного мостового выпрямителя в симметричном режиме работы отделена от нейтрального проводника или сетевого напряжения. При питании от трансформатора заземление центральной точки моста возможно при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от сетевого напряжения и точка звезды вторичной обмотки не находится на земле. Однако в этом случае по обмоткам трансформатора протекают (незначительные) токи утечки.

Синфазное напряжение формируется из соответствующих средних значений разностей напряжений положительной и отрицательной фаз, которые формируют пульсирующее напряжение постоянного тока. Пиковое значение напряжения «дельта» ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ суммы ⁠ 1/4 ⁠ напряжения входного пикового значения фазного $V_{\mathrm {peak} }$ и рассчитывается с $V_{\mathrm {peak} }$ минус половина напряжения постоянного тока при 60° периода:

${\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}={}&V_{\mathrm {peak} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak} }\cdot {\Biggl (}1-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {peak} }\cdot 0.25\end{aligned}}$

Действующее значение синфазного напряжения рассчитывается из форм-фактора для треугольных колебаний:

$V_{\text{common mode}}={\frac {{\hat {v}}_{\text{common mode}}}{\sqrt {3}}}$

Если схема работает асимметрично (как простое напряжение питания только с одним положительным полюсом), как положительный, так и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительному. и отрицательные формы фазных напряжений. Однако различия в фазных напряжениях приводят к появлению шестиимпульсного напряжения постоянного тока (в течение периода). Строгое разделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применяются соответственно к симметричной работе.

Трехфазный мостовой выпрямитель с управлением

В управляемом трехфазном мостовом выпрямителе вместо диодов используются тиристоры. Выходное напряжение уменьшается на коэффициент cos(α):

$V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha$

Или, выраженное через линейное входное напряжение:

$V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha$

где:

V _LLpeak — пиковое значение линейного входного напряжения,

Vpeak _— это пиковое значение входного напряжения фазы (фаза-нейтраль), а

α — угол открытия тиристора (0, если для выпрямления используются диоды)

Приведенные выше уравнения действительны только в том случае, если ток не поступает из источника переменного тока или в теоретическом случае, когда соединения источника переменного тока не имеют индуктивности. На практике индуктивность питания вызывает снижение выходного напряжения постоянного тока с увеличением нагрузки, обычно в диапазоне 10–20 % при полной нагрузке.

Эффект индуктивности питания заключается в замедлении процесса перехода (называемого коммутацией) от одной фазы к другой. В результате при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства в мосту проводят ток одновременно. Угол перекрытия обычно обозначается символом μ (или u) и может составлять 20–30° при полной нагрузке.

С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя снижается до

$V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha +\mu ).$

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение можно выразить как

$V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha )-6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }$

где:

L _c — коммутирующая индуктивность на фазу, а

I _d – постоянный ток.

Трехфазный мостовой выпрямитель при альфа=0° без перекрытия

Трехфазный мостовой выпрямитель при альфа=0° с углом перекрытия 20°.

Трехфазный управляемый мостовой выпрямитель при альфа=20° с углом перекрытия 20°.

Трехфазный управляемый мостовой выпрямитель на альфа=40° с углом перекрытия 20°.

Двенадцатимпульсный мост

Двенадцатимпульсный мостовой выпрямитель с тиристорами в качестве переключающих элементов. Один шестипульсный мост состоит из четных тиристоров, другой — из набора нечетных.

Хотя схемы шестиимпульсного выпрямителя лучше однофазных или трехфазных полуволновых выпрямителей, они все же создают значительные гармонические искажения как в цепях переменного, так и в постоянном токе. Для выпрямителей очень большой мощности обычно применяют двенадцатипульсное мостовое соединение. Двенадцатимпульсный мост состоит из двух шестипульсных мостовых цепей, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от питающего трансформатора, который обеспечивает сдвиг фаз между двумя мостами на 30°. Это подавляет многие характерные гармоники, создаваемые шестиимпульсными мостами.

Фазовый сдвиг на 30 градусов обычно достигается с помощью трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток: один соединен звездой (звезда), а другой - треугольником.

Умножительные выпрямители напряжения

Основная статья: Умножитель напряжения

См. Также: Удвоитель напряжения

Переключаемый полный мост/удвоитель напряжения.

Простой полуволновой выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодами, направленными в противоположные стороны: одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока. . Объединив оба этих метода с отдельным выходным сглаживанием, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное переменное напряжение. При этом также предусмотрен отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с разделенной шиной.

Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два конденсатора последовательно для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем разместить переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока. При разомкнутом переключателе эта схема действует как обычный мостовой выпрямитель. Когда переключатель замкнут, он действует как выпрямитель, удваивающий напряжение. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (приблизительно ±15%) постоянного тока от любого источника питания 120 В или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой переключаемый режим. источник питания . Однако для заданной желаемой пульсации значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше значения одного, необходимого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выходной сигнал полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной половины одного из них.

Умножитель напряжения Кокрофта Уолтона

В умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона каскады конденсаторов и диодов соединены каскадом для усиления низкого переменного напряжения до высокого постоянного напряжения. Эти схемы способны создавать потенциал выходного напряжения постоянного тока, примерно в десять раз превышающий пиковое входное напряжение переменного тока, что на практике ограничивается проблемами допустимого тока и регулирования напряжения. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве вспомогательного повышающего каскада или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, питании таких устройств, как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевизорах на основе ЭЛТ, радарах и гидролокаторах). дисплеи), устройства усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), а также радиочастотные (РЧ) устройства на основе магнетрона, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах. До появления полупроводниковой электроники в бестрансформаторных ламповых приемниках , питавшихся непосредственно от сети переменного тока, иногда использовались удвоители напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока от линии электропередачи 100–120 В.

Количественная оценка выпрямителей

Для количественной оценки функции и производительности выпрямителей или их выходной мощности используются несколько коэффициентов, включая коэффициент использования трансформатора (TUF), коэффициент преобразования ( η ), коэффициент пульсаций, форм-фактор и пиковый коэффициент. Двумя основными мерами являются напряжение постоянного тока (или смещение) и пиковое пульсирующее напряжение, которые являются составляющими компонентами выходного напряжения.

Коэффициент конверсии

Коэффициент преобразования (также называемый «коэффициентом выпрямления» и, что сбивает с толку, «эффективностью») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от источника переменного тока. Даже у идеальных выпрямителей это соотношение меньше 100%, поскольку часть выходной мощности представляет собой мощность переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсаций, наложенных на форму сигнала постоянного тока. Коэффициент можно улучшить с помощью схем сглаживания, которые уменьшают пульсации и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе. Коэффициент преобразования снижается за счет потерь в обмотках трансформатора и рассеиваемой мощности в самом выпрямительном элементе. Это соотношение не имеет большого практического значения, поскольку за выпрямителем почти всегда следует фильтр для увеличения постоянного напряжения и уменьшения пульсаций. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях коэффициент преобразования достаточно высок, поэтому схемы сглаживания не нужны. В других схемах, таких как схемы нагревателей накаливания в электронике электронных ламп, где нагрузка почти полностью резистивная, схемы сглаживания можно опустить, поскольку резисторы рассеивают мощность как переменного, так и постоянного тока, поэтому мощность не теряется.

Для полуволнового выпрямителя это соотношение очень скромное.

$P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}$ (делители равны 2, а не √ 2 , поскольку в отрицательном полупериоде мощность не передается)

$P_{\mathrm {DC} }={V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over \pi }$

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для полуволнового выпрямителя равен:

$\eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}\approx 40.5\%$

Аналогично для двухполупериодного выпрямителя:

$P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}$

$P_{\mathrm {DC} }={2\cdot V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {2\cdot I_{\mathrm {peak} } \over \pi }$

$\eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}\approx 81.0\%$

Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные, имеют гораздо больший коэффициент преобразования, поскольку пульсации по своей сути меньше.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя:

$P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}$

$P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}$

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя:

$P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}$

$P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{\pi }}$

Коэффициент использования трансформатора

Коэффициент использования трансформатора (TUF) схемы выпрямителя определяется как отношение мощности постоянного тока, доступной на входном резисторе, к номиналу переменного тока выходной катушки трансформатора.

${\text{T.U.F}}={\frac {P_{\text{odc}}}{\text{VA rating of transformer}}}$

The $VA$ Номинальную мощность трансформатора можно определить как: $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$

Падение напряжения выпрямителя

См. Также: Диод § Прямое пороговое напряжение для различных полупроводников.

Реальный выпрямитель обычно снижает часть входного напряжения ( падение напряжения для кремниевых устройств обычно составляет 0,7 В плюс эквивалентное сопротивление, как правило, нелинейное) — а на высоких частотах искажает форму сигнала другими способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую мощность.

Одним из аспектов большинства выпрямлений является потеря пикового входного напряжения в пиковом выходном напряжении, вызванная встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычных кремниевых диодов с p-n-переходом и 0,3 В для диодов Шоттки ). Полупериодное и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к пиковой потере напряжения, равной одному падению напряжения на диоде. Мостовое выпрямление имеет потерю двух диодных падений. Это снижает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо выпрямить очень низкое переменное напряжение. Поскольку диоды не проводят ток ниже этого напряжения, схема пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая появление коротких сегментов нулевого напряжения (когда мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений на диоде) между каждым «горбом». ".

Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или меньше), но незначительны в высоковольтных устройствах, таких как системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения.

Гармонические искажения

Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, создают гармоники тока частоты источника на стороне переменного тока и гармоники напряжения частоты источника на стороне постоянного тока из-за режима переключения.

Сглаживание выходного сигнала выпрямителя

См. Также: Пульсация (электрическая) § Пульсация напряжения.

Вход переменного тока (желтый) и выход постоянного тока (зеленый) полуволнового выпрямителя со сглаживающим конденсатором. Обратите внимание на пульсацию сигнала постоянного тока. Значительный разрыв (около 0,7 В) между пиком входного переменного тока и пиком выходного постоянного тока обусловлен прямым падением напряжения на выпрямительном диоде.

Хотя полуволновое и двухполупериодное выпрямление обеспечивает однонаправленный ток, ни одно из них не создает постоянного напряжения. Существует большая составляющая пульсаций переменного напряжения на частоте источника для полуволнового выпрямителя и в два раза превышающая частоту источника для двухполупериодного выпрямителя. Пульсации напряжения обычно указываются от пика к пику. Для получения постоянного постоянного тока из выпрямленного источника переменного тока требуется сглаживающая схема или фильтр . В простейшей форме это может быть просто конденсатор (выполняющий функции как сглаживающего конденсатора, так и резервуара). буферный или объемный конденсатор), дроссель, резистор, стабилитрон и резистор или стабилизатор напряжения, размещенные на выходе выпрямителя. На практике большинство сглаживающих фильтров используют несколько компонентов для эффективного снижения пульсаций напряжения до уровня, приемлемого для схемы.

Полуволновой диодно-мостовой выпрямитель с параллельным RC-шунтирующим фильтром

Конденсатор фильтра высвобождает накопленную энергию в течение той части цикла переменного тока, когда источник переменного тока не подает никакой мощности, то есть когда источник переменного тока меняет направление протекания тока.

Производительность с источником с низким импедансом

На приведенной выше диаграмме показаны формы сигналов напряжения для работы резервуара при питании от источника напряжения с сопротивлением , близким к нулю, например, от сети. Оба напряжения начинаются с нуля в момент времени t=0 в крайнем левом углу изображения, затем напряжение конденсатора следует за выпрямленным напряжением переменного тока по мере его увеличения, конденсатор заряжается, и ток подается на нагрузку. В конце четверти цикла сети конденсатор заряжается до пикового значения Vp напряжения выпрямителя. После этого входное напряжение выпрямителя начинает снижаться до минимального значения Vmin при входе в следующую четверть цикла. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку, в то время как конденсатор удерживает выходное напряжение на нагрузке.

Размер конденсатора C определяется допустимой величиной пульсаций r, где r=(Vp-Vmin)/Vp.

Эти цепи очень часто питаются от трансформаторов , которые могут иметь значительный внутренний импеданс в виде сопротивления и/или реактивного сопротивления . Внутреннее сопротивление трансформатора изменяет форму сигнала резервуарного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и создает проблемы регулирования.

Конденсаторный входной фильтр

Основная статья: Конденсаторно-входной фильтр

Для данной нагрузки выбор сглаживающего конденсатора представляет собой компромисс между уменьшением пульсирующего напряжения и увеличением пульсационного тока. Пиковый ток устанавливается скоростью нарастания напряжения питания по нарастающему фронту входящей синусоидальной волны, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора. Высокие пульсации тока увеличивают I ² Потери R (в виде тепла) в обмотках конденсатора, выпрямителя и трансформатора могут превышать токовую нагрузку компонентов или номинальную мощность ВА трансформатора. Ламповые выпрямители определяют максимальную емкость входного конденсатора, а диодные выпрямители SS также имеют ограничения по току. Конденсаторам для этого применения требуется низкое ESR , иначе пульсации тока могут их перегреть. Чтобы ограничить пульсации напряжения заданным значением, необходимая емкость конденсатора пропорциональна току нагрузки и обратно пропорциональна частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за входной цикл. Полупериодный выпрямленный выходной сигнал требует конденсатора меньшего размера, поскольку его частота вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выходного сигнала. Чтобы уменьшить пульсации до удовлетворительного предела с помощью всего лишь одного конденсатора, часто требуется конденсатор непрактичного размера. Это связано с тем, что номинальный ток пульсаций конденсатора не увеличивается линейно с размером, а также могут быть ограничения по высоте. Для сильноточных приложений вместо этого используются банки конденсаторов.

Входной фильтр дросселя

Также возможно поместить выпрямленный сигнал в входной фильтр дросселя. Преимущество этой схемы заключается в том, что форма сигнала тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не в виде импульсов на пиках переменного напряжения в каждом полупериоде, как в конденсаторном входном фильтре. Недостатком является то, что выходное напряжение намного ниже – среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое; это около 90% среднеквадратического напряжения по сравнению с ${\sqrt {2}}$ умножить среднеквадратичное напряжение (без нагрузки) для конденсаторного входного фильтра. Компенсацией этого является превосходное регулирование напряжения и более высокий доступный ток, которые снижают требования к пиковому напряжению и пульсациям тока на компонентах источника питания. Для индукторов требуются сердечники из железа или других магнитных материалов, что увеличивает их вес и размер. Поэтому их использование в источниках питания электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как стабилизаторы напряжения.

Резистор в качестве входного фильтра

В случаях, когда пульсации напряжения незначительны, например, в зарядных устройствах, входной фильтр может представлять собой один последовательный резистор для регулировки выходного напряжения в соответствии с требованиями схемы. Резистор пропорционально снижает как выходное напряжение, так и напряжение пульсаций. Недостатком резисторного входного фильтра является то, что он потребляет мощность в виде отходящего тепла, которое недоступно для нагрузки, поэтому его применяют только в слаботочных цепях.

Фильтры высшего порядка и каскадные фильтры

Для дальнейшего уменьшения пульсаций за первоначальным фильтрующим элементом могут быть установлены дополнительные чередующиеся последовательные и шунтирующие компоненты фильтра или стабилизатор напряжения. Компонентами последовательного фильтра могут быть резисторы или дроссели; Шунтирующими элементами могут быть резисторы или конденсаторы. Фильтр может повысить напряжение постоянного тока, поскольку а также уменьшить пульсацию. Фильтры часто состоят из пар последовательных/шунтирующих компонентов, называемых секциями RC (последовательный резистор, шунтирующий конденсатор) или LC (последовательный дроссель, шунтирующий конденсатор). Две распространенные геометрии фильтров известны как фильтры Pi (конденсатор, дроссель, конденсатор) и T (дроссель, конденсатор, дроссель). Иногда последовательными элементами являются резисторы (поскольку резисторы меньше и дешевле), когда желателен или допустим более низкий выходной сигнал постоянного тока. Другой разновидностью специальной геометрии фильтра является последовательный резонансный дроссель или настроенный дроссельный фильтр. В отличие от фильтров других геометрических форм, которые являются фильтрами нижних частот, резонансный дроссельный фильтр представляет собой полосовой заграждающий фильтр: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, который резонирует на частоте пульсаций напряжения, создавая очень высокий импеданс пульсаций. . За ним может следовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Регуляторы напряжения

Более распространенной альтернативой дополнительным компонентам фильтра, если нагрузка постоянного тока требует очень низкого напряжения пульсаций, является установка после входного фильтра стабилизатора напряжения. Регулятор напряжения работает по иному принципу, чем фильтр, который, по сути, представляет собой делитель напряжения, отводящий напряжение с частотой пульсаций от нагрузки. Скорее, регулятор увеличивает или уменьшает ток, подаваемый на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Простой пассивный шунтирующий стабилизатор напряжения может состоять из последовательного резистора, понижающего напряжение источника до необходимого уровня, и шунта на стабилитроне с обратным напряжение, равное установленному напряжению. Когда входное напряжение возрастает, диод сбрасывает ток для поддержания заданного выходного напряжения. Этот тип стабилизатора обычно используется только в цепях низкого напряжения и слабого тока, поскольку стабилитроны имеют ограничения как по напряжению, так и по току. Он также очень неэффективен, поскольку сбрасывает избыточный ток, недоступный нагрузке.

Более эффективной альтернативой шунтовому стабилизатору напряжения является схема активного стабилизатора напряжения . Активный регулятор использует реактивные компоненты для хранения и разрядки энергии, так что большая часть или весь ток, подаваемый выпрямителем, передается в нагрузку. Он также может использовать отрицательную и положительную обратную связь в сочетании по крайней мере с одним компонентом усиления напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения при падении напряжения источника. Входной фильтр должен предотвращать падение пульсаций ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для создания требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для борьбы с изменениями характеристик питания и нагрузки.

Приложения

См. Также: Емкостный источник питания.

Основное применение выпрямителей — получение мощности постоянного тока от источника переменного тока (преобразователя переменного тока в постоянный). Выпрямители используются в источниках питания практически всего электронного оборудования. Источники питания переменного/постоянного тока можно условно разделить на линейные источники питания и импульсные источники питания . В таких источниках питания выпрямитель будет включен последовательно после трансформатора, за ним следует сглаживающий фильтр и, возможно, стабилизатор напряжения.

Преобразовать мощность постоянного тока из одного напряжения в другое гораздо сложнее. Один из методов преобразования постоянного тока в постоянный сначала преобразует мощность в переменный ток (с помощью устройства, называемого инвертором ) , затем использует трансформатор для изменения напряжения и, наконец, выпрямляет мощность обратно в постоянный ток. Обычно используется частота в несколько десятков килогерц, поскольку для этого требуется гораздо меньшая индуктивность, чем для более низких частот, и исключается использование тяжелых, громоздких и дорогих трансформаторов с железным сердечником. Другой метод преобразования напряжения постоянного тока использует накачку заряда , используя быстрое переключение для изменения соединений конденсаторов; этот метод обычно ограничивается мощностью до пары ватт из-за размера требуемых конденсаторов.

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Выпрямители также используются для обнаружения амплитудно -модулированных радиосигналов. Сигнал может быть усилен перед обнаружением. В противном случае необходимо использовать диод с очень низким падением напряжения или диод, смещенный фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции сопротивление конденсатора и нагрузки должно быть тщательно согласовано: слишком низкая емкость заставляет высокочастотную несущую проходить на выход, а слишком высокая заставляет конденсатор просто заряжаться и оставаться заряженным.

Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварки . В таких схемах требуется контроль выходного тока; Иногда это достигается путем замены некоторых диодов в мостовом выпрямителе тиристорами фазовых , фактически диодами, выходное напряжение которых можно регулировать путем включения и выключения с помощью контроллеров .

Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного подвижного состава для достижения точного управления тяговыми двигателями. Запирающие тиристоры используются для производства переменного тока из источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей .

Технологии ректификации

Электромеханический

Примерно до 1905 года, когда были разработаны ламповые выпрямители, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию. Механические выпрямители использовали ту или иную форму вращения или резонансной вибрации, приводимую в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.

Эти механические выпрямители были шумными и требовали высоких требований к техническому обслуживанию, включая смазку и замену движущихся частей из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к образованию электрических дуг и искр, которые нагревали и разрушали контакты. Они также не могли работать с частотой переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Основная статья: Синхронное выпрямление

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может быть использован синхронный выпрямитель. Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в движение набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается синхронно с частотой переменного тока и периодически меняет местами соединения с нагрузкой в ​​тот момент, когда синусоидальный ток проходит через ноль. Контакты не должны коммутировать большой ток, но они должны выдерживать большой постоянного тока локомотива ток для питания тяговых двигателей .

Вибрационный выпрямитель

Основная статья: Механический выпрямитель

Зарядное устройство для вибраторов 1922 года. Оно производило ток 6 А постоянного тока при напряжении 6 В для зарядки автомобильных аккумуляторов.

Они состояли из резонансного язычка , вибрирующего под действием переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока , с контактами, которые меняли направление тока на отрицательные полупериоды. Их использовали в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства для аккумуляторов , для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое применение - аккумуляторные источники питания для портативных ламповых радиоприемников, обеспечивающие высокое постоянное напряжение для ламп. Они работали как механическая версия современных полупроводниковых переключающих инверторов с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором вибрирующих контактов на сердечнике трансформатора, управляемых его магнитным полем , для многократного прерывания постоянного тока батареи для создания импульсный переменный ток для питания трансформатора. Затем второй набор выпрямительных контактов на вибраторе выпрямил высокое переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора в постоянное.

Мотор-генераторная установка

Основные статьи: Мотор-генератор и роторный преобразователь.

Небольшой мотор-генератор.

Двигатель -генераторная установка или аналогичный вращающийся преобразователь не является строго выпрямителем, поскольку на самом деле он не выпрямляет ток, а скорее генерирует постоянный ток из источника переменного тока. В «наборе MG» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока . Генератор постоянного тока производит многофазный переменный ток в обмотках якоря , который коммутатор на валу якоря преобразует в выходной постоянный ток; или униполярный генератор производит постоянный ток без необходимости использования коммутатора. Установки MG полезны для производства постоянного тока для железнодорожных тяговых двигателей, промышленных двигателей и других сильноточных устройств и были распространены во многих устройствах постоянного тока высокой мощности (например, в проекторах с угольно-дуговыми лампами для кинотеатров на открытом воздухе) до того, как стали использоваться мощные полупроводники. широко доступен.

электролитический

Электролитический ​ выпрямитель было устройством начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельная версия проиллюстрирована в книге 1913 года «Мальчик-механик». но его можно использовать только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током . Более сложное устройство такого типа было запатентовано Г.В. Карпентером в 1928 г. (патент США 1671970).

Когда два разных металла подвешены в растворе электролита, постоянный ток, текущий через раствор в одном направлении, встречает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата триаммония.

Действие выпрямления обусловлено тонким слоем гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, который образуется путем подачи на элемент сильного тока для создания покрытия. Процесс ректификации чувствителен к температуре, и для достижения максимальной эффективности он не должен работать при температуре выше 86 °F (30 °C). Существует также напряжение пробоя при пробитии покрытия и коротком замыкании ячейки. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические, и могут быть чувствительны к изменениям в использовании, которые могут радикально изменить или полностью нарушить процессы ректификации.

Примерно в ту же эпоху аналогичные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов путем подвешивания множества алюминиевых конусов в резервуаре с раствором ортофосфата триаммония. В отличие от описанного выше выпрямителя, использовались только алюминиевые электроды, а при использовании переменного тока не было поляризации и, следовательно, никакого действия выпрямителя, но химический состав был аналогичен.

Современный электролитический конденсатор , важный компонент большинства конфигураций выпрямительных схем, также был разработан на основе электролитического выпрямителя.

Тип плазмы

Развитие технологии электронных ламп в начале 20 века привело к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные и неэффективные механические выпрямители.

Меркурийная дуга

Основная статья: Ртутно-дуговой клапан

Ранняя трехфазная промышленная для паров ртути выпрямительная трубка

на 150 кВ Ртутно-дуговой клапан на гидроэлектростанции Манитобы в Рэдиссоне, Канада, преобразовал гидроэлектроэнергию переменного тока в постоянный для передачи в отдаленные города.

Выпрямитель, используемый в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке примерно с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговой выпрямитель или ртутно-дуговой клапан . Устройство заключено в выпуклый стеклянный сосуд или большую металлическую ванну. Один электрод, катод , погружается в ванну с жидкой ртутью на дне сосуда, а один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами , подвешиваются над ванной. Может быть несколько вспомогательных электродов, помогающих зажигать и поддерживать дугу. При возникновении электрической дуги между катодной ванной и подвешенными анодами поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, а не наоборот (в принципе, это более мощный аналог пламенного выпрямления , который использует те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).

Эти устройства могут использоваться при мощности в сотни киловатт и рассчитаны на работу с одной-шестью фазами переменного тока. на смену ртутно-дуговым выпрямителям пришли кремниевые полупроводниковые выпрямители и мощные тиристорные В середине 1970-х годов схемы. Самые мощные из когда-либо построенных ртутных выпрямителей были установлены в проекте биполярного HVDC компании Manitoba Hydro Nelson River с общей мощностью более 1 ГВт и 450 кВ.

Электронная трубка на аргоне

Лампы Тунгара 1917 года, 2 ампера (слева) и 6 ампер.

Выпрямитель General Electric Tungar представлял собой устройство на парах ртути (пример: 5B24) или аргона (пример: 328) газонаполненное электронное ламповое с катодом из вольфрамовой нити и анодом из углеродной нити. Он работал аналогично термоэлектронному ламповому диоду, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее прямое падение напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных устройств с 1920-х годов, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители , а затем и полупроводниковые диоды. Они были рассчитаны на несколько сотен вольт и несколько ампер и по некоторым размерам сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 представлял собой газонаполненную выпрямительную лампу, которая обычно использовалась в автомобильных радиоприемниках с электронными лампами в 1940-х и 1950-х годах. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но ее уникальность заключалась в том, что у нее не было нити накала (отсюда цифра «0» в ее номере типа). Электроды имели такую ​​форму, что напряжение обратного пробоя было намного выше напряжения прямого пробоя. При превышении напряжения пробоя 0Z4 переходил в низкоомное состояние с прямым падением напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная лампа (клапан)

См. Также: Список электронных ламп.

Ламповые диоды

Термоэлектронный , был изобретен Джоном Амброузом Флемингом ламповый диод , первоначально называвшийся клапаном Флеминга в 1904 году в качестве детектора радиоволн в радиоприемниках и превратился в выпрямитель общего назначения. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накаливания, нагреваемой отдельным током, и металлического пластинчатого анода . Нить испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытого Томасом Эдисоном в 1884 году, а положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от нити к пластине. Поскольку электроны производит только нить накала, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.

Термоэмиссионные диодные выпрямители широко использовались в источниках питания бытовой электронной продукции с электронными лампами, такой как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например радиоприемник All American Five , для обеспечения высокого напряжения на пластине постоянного тока, необходимого для других электронных ламп. «Полноволновые» версии с двумя отдельными пластинами были популярны, поскольку их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя. для очень высоких напряжений, например, высоковольтный источник питания электронно-лучевой трубки телевизионных Ламповые выпрямители были созданы приемников и кенотрон , используемый для питания рентгеновской аппаратуры. Однако по сравнению с современными полупроводниковыми диодами ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за пространственного заряда и, следовательно, высоких падений напряжения, что приводит к высокой рассеиваемой мощности и низкому КПД. Они редко способны выдерживать ток, превышающий 250 мА, из-за ограничений рассеиваемой мощности пластины и не могут использоваться для устройств с низким напряжением, таких как зарядные устройства аккумуляторов. Еще одним ограничением лампового выпрямителя является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных устройств для его изоляции от высоких напряжений цепи выпрямителя.

Твердотельный

Кристаллический детектор

Основная статья: Кристаллический детектор

Galena в виде кошачьих усов Кристаллический детектор

Кристаллический детектор был самым ранним типом полупроводникового диода. Изобретенный Джагадишем Чандрой Бозе и разработанный Г. В. Пикардом начиная с 1902 года, он был значительным улучшением по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер. Кристаллический детектор широко использовался до того, как стали доступны электронные лампы. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором «кошачьих усов» , состоит из кристалла какого-либо полупроводникового минерала , обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинистой проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая нагрузка сделали его непригодным для источников питания. В 1930-х годах исследователи миниатюризировали и усовершенствовали кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах.

Селеноксидные и меднооксидные выпрямители

Основная статья: Металлический выпрямитель

Селеновый выпрямитель

Когда-то эти устройства были распространены до тех пор, пока их не заменили более компактные и менее дорогие кремниевые твердотельные выпрямители в 1970-х годах. В этих устройствах использовались стопки металлических пластин с оксидным покрытием и использовались преимущества полупроводниковых свойств оксидов селена или меди. Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньше энергии, чем сопоставимые ламповые выпрямители, у них был недостаток: ограниченный срок службы, увеличивающееся сопротивление с возрастом, и они были пригодны для использования только на низких частотах. Выпрямители из оксида селена и меди имеют несколько лучшую устойчивость к кратковременным переходным напряжениям, чем кремниевые выпрямители.

Обычно эти выпрямители состояли из стопок металлических пластин или шайб, скрепленных центральным болтом, причем количество стопок определялось напряжением; каждая ячейка была рассчитана примерно на 20 В. Выпрямитель автомобильного зарядного устройства мог иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной лампы мог иметь десятки сложенных друг на друга пластин. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

Кремниевые и германиевые диоды

Основная статья: Диод

Разнообразие кремниевых диодов разного номинала тока. Слева мостовой выпрямитель . На трех центральных диодах окрашенная полоса обозначает катодную клемму.

Кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили другие выпрямители. Из-за существенно более низкого прямого напряжения (0,3 В против 0,7 В для кремниевых диодов) германиевые диоды имеют неотъемлемое преимущество перед кремниевыми диодами в цепях низкого напряжения.

Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения.

Основная статья: Кремниевый выпрямитель

Два из трех блоков мощных тиристорных клапанов, используемых для передачи электроэнергии на большие расстояния от гидроэлектростанций Манитобы . Сравните с ртутно-дуговой системой на той же плотине, приведенной выше.

В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 год большинство дуговых выпрямителей с ртутными лампами были заменены стопками тиристоров очень высокой мощности , кремниевых устройств с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В приложениях передачи средней мощности еще более сложные и изощренные кремниевые полупроводниковые выпрямительные системы с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с затвором (GTO) , позволяют уменьшить мощность передачи постоянного тока высокого напряжения. системы экономичны. Все эти устройства выполняют функцию выпрямителей.

По состоянию на 2009 год Ожидалось, что эти мощные кремниевые «самопереключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (родственный GTO), называемый интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут увеличены по номинальной мощности до номинальной мощности. указывают на то, что они в конечном итоге заменят простые тиристорные системы выпрямления переменного тока для приложений постоянного тока с наивысшей мощностью.

Активный выпрямитель

Основная статья: Активное исправление

Падение напряжения на диоде и МОП-транзисторе . Низкое сопротивление полевого МОП-транзистора снижает омические потери по сравнению с диодным выпрямителем (в данном случае ниже 32 А), который демонстрирует значительное падение напряжения даже при очень низких уровнях тока. Параллельное соединение двух МОП-транзисторов (розовая кривая) еще больше снижает потери, тогда как параллельное соединение нескольких диодов не приведет к значительному уменьшению падения напряжения в прямом направлении.

Активное выпрямление — это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы , обычно силовые МОП-транзисторы или силовые биполярные транзисторы . В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения от 0,5 до 1 вольт, активные выпрямители ведут себя как сопротивления и могут иметь сколь угодно низкое падение напряжения.

Исторически сложилось так, что переключатели с вибрирующим с приводом от двигателя приводом или коммутаторы также использовались для механических выпрямителей и синхронного выпрямления.

Активное выпрямление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного течения тока, который может вызвать перегрев при частичном затенении, обеспечивая при этом минимальные потери мощности.

Текущие исследования

Основной областью исследований является разработка высокочастотных выпрямителей, способных выпрямлять сигналы на терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются в оптическом гетеродинном обнаружении , которое имеет множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах . Еще одним перспективным применением таких устройств является прямое выпрямление световых волн, улавливаемых крошечными антеннами , называемыми нантеннами , для производства электроэнергии постоянного тока. Считается, что антенные решетки могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии , чем солнечные элементы .

Смежной областью исследований является разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку устройство меньшего размера имеет более высокую частоту среза. В исследовательских проектах предпринимаются попытки разработать мономолекулярный выпрямитель — одну органическую молекулу , которая будет функционировать как выпрямитель.

См. также

• адаптер переменного тока
• Карл Фердинанд Браун (точечный выпрямитель, 1874 г.)
• Прецизионный выпрямитель
• ректиформер
• Вена исправить
• Варшавский выпрямитель