Выпрямитель

Выпрямитель - это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (переменного тока), которое периодически обращает направление, в прямой ток (DC), который течет только в одном направлении.

Процесс известен как исправление , поскольку он «выпрямляет» направление тока. Физически, выпрямители принимают ряд форм, включая диоды вакуумных труб , влажные химические клетки, ртутные клапаны , стеки из оксидных пластин меди и селена , полупроводниковые диоды , выпрямители, контролируемые кремниями и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. даже синхронные электромеханические переключатели и наборы моторных генераторов Исторически, были использованы . Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками , использовали « кошачий усы » из тонкого провода, нажимая на кристалл Галена (сульфид свинца), чтобы служить выпрямителем точки или «детектором кристаллов».

Выпрямители имеют много применений, но часто встречаются в качестве компонентов источников питания постоянного тока и высоковольтных систем передачи мощности. Устранение может служить в ролях, отличных от того, чтобы генерировать постоянный ток для использования в качестве источника мощности. служить детекторами радиосигналов . Как отмечалось, выпрямители могут В газовых системах отопления пламени используется для обнаружения присутствия пламени.

В зависимости от типа подачи переменного тока и расположения схемы выпрямителя, выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения равномерного устойчивого напряжения. Многие применения выпрямителей, такие как расходные материалы для радио, телевизионного и компьютерного оборудования, требуют постоянного постоянного напряжения постоянного тока (как будет производиться батареей ) . В этих приложениях выход выпрямителя сглаживается электронным фильтром , который может быть конденсатором , дросселем или набором конденсаторов, дросселей и резисторов , возможно, сопровождаемых регулятором напряжения для получения устойчивого напряжения.

Устройство, которое выполняет противоположную функцию, которая преобразует DC в AC, называется инвертором .

Выпрямительные устройства

Перед разработкой кремниевых полупроводниковых выпрямителей вакуумные термоидные диоды стеки на основе селена на основе селена . и металлические использовались ^{[ 1 ]} Первые диоды вакуумных труб, разработанные для применения выпрямителя в цепях питания, были введены в апреле 1915 года Саулом Душманом из General Electric. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} С введением полупроводниковой электроники, выпрямители вакуумных труб устарели, за исключением некоторых энтузиастов аудиоуборки вакуумной трубки . Для выпрямления мощности от очень низкого до очень высокого тока, полупроводниковые диоды различных типов ( диоды соединения , диоды Шоттки и т. Д.)

Другие устройства, которые имеют управляющие электроды, а также действуют как клапаны однонаправленного тока, используются там, где требуется более чем простое исправление, - где требуется переменное выходное напряжение. Выпрямители мощных мощных сил, такие как те, которые используются в передаче мощности с постоянным током высокого напряжения , используют кремниевые полупроводниковые устройства различных типов. Это тиристоры или другие контролируемые переключающие твердотельные переключатели, которые эффективно функционируют как диоды для прохождения тока только в одном направлении.

Выпрямительные цепи

Выпрямительные цепи могут быть однофазными или многофазными. Большинство выпрямителей с низким содержанием электроэнергии для внутреннего оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных применений и для передачи энергии как DC (HVDC).

Однофазные выпрямители

Полуволновое исправление

В полуоволном выпрямлении однофазного снабжения проходит либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока, в то время как другая половина блокируется. Поскольку только одна половина входной формы волны достигает выхода, среднее напряжение ниже. Полуволновое выпрямление требует одного диода в однофазном источнике или три в трехфазном питании . Выпрямители дают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; Полуволновые выпрямители производят гораздо более пульсные необходимо гораздо больше фильтрации , чем выпрямители с полной волной, и для устранения гармоник частоты переменного тока .

Полуволновый выпрямитель, «U» обозначает напряжение, «D» обозначает диод, а «r» сопротивление

Выходное напряжение без нагрузки идеального полуволнового выпрямителя для синусоидального входного напряжения: ^{[ 4 ]}

{\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 - DC или среднее выходное напряжение,

V _Пик , пиковое значение входных напряжений фазы,

V _RMS , среднее значение корня (RMS) значение выходного напряжения.

Полная волна исправления

Выпрямитель с полным волн, с вакуумной трубкой с двумя анодами.

Полноволновый выпрямитель преобразует всю входную форму волны в одну из постоянной полярности (положительной или отрицательной) на его выходе. Математически это соответствует функции абсолютного значения . Полноволновое выпрямление преобразует обе полярности входной формы волны в пульсирующее DC (постоянный ток) и дает более высокое среднее выходное напряжение. с центральным нажатием Необходимы два диода и трансформатор , или четыре диода в конфигурации моста и любого источника переменного тока (включая трансформатор без центрального крана). ^{[ 5 ]} Одиночные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом и четырех- или шестиодными мостами производятся в качестве отдельных компонентов.

Мостовый выпрямитель: полноволновый выпрямитель с использованием четырех диодов.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор обрезан в центр, то два диода обратно в спинку (от катода-катода или анод-анода, в зависимости от требуемой выходной полярности) могут образовать полнововочный выпрямитель. На трансформаторе требуется вдвое больше поворотов, чтобы получить одинаковое выходное напряжение, чем для выпрямителя моста, но рейтинг мощности не изменился.

Полноволновый выпрямитель с использованием центрального трансформатора TAP и 2 диода.

Среднее и среднеквадратичное выходные напряжения идеального однофазного полноволнового выпрямителя:

{\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 двуствородом Очень распространенные вакуумные пробирки содержали один общий катод и два анода внутри одной конверты, достигнув полного волн с положительным выходом. 5U4 и 80/5y3 (4 пин -контакта)/(восьмиугольника) были популярными примерами этой конфигурации.

Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются для источников питания для внутреннего оборудования. Однако для большинства промышленных и мощных применений трехфазные выпрямительные цепи являются нормой. Как и в случае с однофазными выпрямителями, трехфазные выпрямители могут принимать форму полуволновой цепи, полной волны с использованием трансформатора с центральным нажатием или цепей с полной волной.

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

Трехфазная, полуволновая цепь

Неконтролируемая трехфазная, полуволновая цепь средней точки требует трех диодов, по одному, подключенному к каждой фазе. Это самый простой тип трехфазного выпрямителя, но страдает от относительно высоких гармонических искажений как при соединениях переменного тока, так и в DC. Говорят, что этот тип выпрямителя имеет пульсовое номеры из трех, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три различных импульса на цикл частоты сетки:

Пиковые значения $V_{\mathrm {peak} }$ этого трехпульсного напряжения постоянного тока рассчитывается по значению среднеквадратичного значения $V_{\mathrm {LN} }$ Входного фазового напряжения (линия до нейтрального напряжения, 120 В в Северной Америке, 230 В в Европе при работе с сети): $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ Полем Среднее выходное напряжение без нагрузки $V_{\mathrm {av} }$ результаты интеграла под графиком положительной полуволны с продолжительностью 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 цепная схема с использованием центрального трансформатора

Если подача переменного тока подается через трансформатор с центральным краном, можно получить схему выпрямителя с улучшенными гармоническими характеристиками. Этот выпрямитель теперь требует шести диодов, один из которых подключен к каждому концу каждого вторичного обмотки трансформатора . Эта схема имеет импульсное число шести, и, по сути, можно рассматривать как шестифазный, полуволновый цепь.

До того, как устройства сплошного состояния стали доступны, полуволновая цепь и цепь полной волны с использованием трансформатора с центром, очень часто использовались в промышленных выпрямителях с использованием ртутных клапанов . ^{[ 6 ]} Это было связано с тем, что три или шесть входов переменного тока могут быть поданы в соответствующее количество анодных электродов на одном резервуаре, разделяя общий катод.

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

Трехфазный выпрямитель моста неконтролируется

Для неконтролируемого трехфазного выпрямителя моста используется шесть диодов , а схема снова имеет импульс-шесть. По этой причине это также обычно называют мостом из шести импульса. Схема B6 можно увидеть упрощенную как последовательное соединение двух трехпульсных центров.

Для применений с низким энергопотреблением двойные диоды последовательно, с анодом первого диода, подключенным к катоду второго, производятся в качестве единого компонента для этой цели. Некоторые коммерчески доступные двойные диоды имеют все четыре терминала, поэтому пользователь может настроить их для однофазного использования расщепления, половины моста или трехфазного выпрямителя.

Для применений с более высокой мощностью одно отдельное устройство обычно используется для каждой из шести рук моста. Для самых высоких способностей каждый рука моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств параллельно (где необходим очень высокий ток, например, при плавке из алюминия ) или последовательно (где необходимы очень высокие напряжения, например, в Высоковольтный передача мощности постоянного тока).

Пульсирующее напряжение постоянного тока является результатом различий мгновенного положительного и отрицательного фазового напряжения $V_{\mathrm {LN} }$ , сдвинуто на 30 °:

Идеальное среднее выходное напряжение без нагрузки $V_{\mathrm {av} }$ схемы B6 является результатом интеграла под графиком импульса напряжения постоянного тока с продолжительностью 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} }

Если трехфазный выпрямитель моста выполняется симметрично (как положительное и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на стороне выходной (или так называемый изолированный эталонный потенциал) напротив центральной точки трансформатора (или нейтрального Проводник) имеет разность потенциалов в форме треугольного напряжения общего режима . По этой причине эти два центра никогда не должны быть подключены друг к другу, в противном случае токи короткого замыкания будут течь. трехфазного Таким образом , земля выпрямителя моста в симметричной операции отделяется от нейтрального проводника или земли напряжения сети. Приведенный в действие трансформатором, заземление центральной точки моста возможен, при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети, а звездная точка вторичной обмотки не находится на Земле. В этом случае, однако, (незначительные) токи утечки текут через обмотки трансформатора.

Напряжение общего режима образуется из соответствующих средних значений различий между положительным и отрицательным фазовым напряжением, которые образуют пульсирующее напряжение постоянного тока. Пиковое значение напряжения дельта ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ суммы ⁠ 1/4 ⁠ входного напряжения пикового значения фазового $V_{\mathrm {peak} }$ 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}}

Среднеквадратичное значение напряжения общего режима 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 с одним положительным полюсом), как положительные, так и отрицательные полюсы (или изолированный эталонный потенциал) пульсируют противоположность центру (или землю) входного напряжения, аналогично положительному и отрицательные формы волны фазовых напряжений. Тем не менее, различия в фазовых напряжениях приводят к напряжению постоянного тока с шестью импульсом (на протяжении времени периода). Строгое отделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут текут короткие токи) или возможное заземление отрицательного полюса при питании с помощью изолирующего трансформатора, соответственно, соответственно к симметричной операции.

Трехфазный выпрямитель моста контролируется

Управляемый трехфазный мостовой выпрямитель использует тиристоры вместо диодов. 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 выражено в терминах линии для входного напряжения линии: ^{[ 7 ]}

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

где:

V _LlPeak - это пиковое значение входных напряжений линии,

V _пик - это пиковое значение фазового (линии до нейтрального) входных напряжений и

α - угол стрельбы тиристора (0, если диоды используются для выпрямления)

Приведенные выше уравнения действительны только тогда, когда ток не получен из поставки переменного тока или в теоретическом случае, когда соединения по подаче переменного тока не имеют индуктивности. На практике индуктивность питания вызывает снижение выходного напряжения постоянного тока с увеличением нагрузки, как правило, в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.

Эффект индуктивности предложения состоит в том, чтобы замедлить процесс передачи (называемый коммутацией) с одной фазы к другой. В результате этого заключается в том, что при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства проводятся одновременно. Угол перекрытия обычно упоминается символом μ (или U) и может быть 20 30 ° при полной нагрузке.

С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя уменьшается до

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

Угол перекрытия μ напрямую связан с током постоянного тока, и вышеуказанное уравнение может быть повторно экспрессировано как

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

где:

L _C - индуктивность по коммутации на фазу, и

Я _- прямой ток.

Двенадцать импульсного моста

Несмотря на то, что лучше, чем однофазные выпрямители или трехфазные полуоволные выпрямители, схемы выпрямителя с шестью импульсами по-прежнему создают значительные гармонические искажения как при соединениях переменного тока, так и в DC. Для очень мощных выпрямителей обычно используется подключение к двенадцатипульсному мосту. Двенадцать-импульсный мост состоит из двух схем моста с шестью импульсными мостами, соединенных последовательно, с их соединением переменного тока, подаваемых из трансформатора снабжения, который дает сдвиг фазы на 30 ° между двумя мостами. Это отменяет многие характерные гармоники, которые производят шестипульсные мосты.

Фазовый сдвиг на 30 градусов обычно достигается с использованием трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток, одним из соединений Star (WYE) и одним в Delta Connection.

Удаленные выпрямители напряжения

Простой полуволновый выпрямитель может быть встроен в две электрические конфигурации с диодами, указывающими в противоположных направлениях, одна версия соединяет отрицательный терминал выхода, прямо к подаче переменного тока, а другая соединяет положительный терминал прямого выхода к подаче переменного тока Полем Объединив оба с отдельным выходным сглаживанием, можно получить выходное напряжение почти вдвое больше пикового входного напряжения переменного тока. Это также обеспечивает кран в середине, который позволяет использовать такую схему, как источник питания расщепления.

Вариант из этого состоит в том, чтобы использовать два конденсатора последовательно для выходного сглаживания на выпрямителе моста, а затем разместите переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одним из входных терминалов переменного тока. При открытии переключателя эта схема действует как обычный выпрямитель моста. С закрытым переключателем он действует как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно в 320 В (± 15%, ок.) DC из любого сетевого снабжения 120 В или 230 В, его можно затем подавать в относительно простой переключенный режим источник питания . Однако для данной желаемой волной значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше значения одного, необходимого для обычного выпрямителя моста; Когда переключатель закрыт, каждый должен отфильтровать выходное выпрямитель полуволнового выпрямителя, а когда выключатель открыт, два конденсатора подключены последовательно с эквивалентным значением половины одного из них.

В множителе напряжения Cockcroft-Walton стадии конденсаторов и диодов каскада для усиления низкого напряжения переменного тока до высокого напряжения постоянного тока. Эти схемы способны создавать потенциал выходного напряжения постоянного тока, в течение примерно десяти раз превышающего пиковое входное напряжение переменного тока, на практике ограничено токовой емкостью и проблемами регулирования напряжения. Мультиплиораторы диодного напряжения, часто используемые в качестве стадии привязки или первичного источника высокого напряжения (HV), используются в лазерных расходных материалах HV, такие как питающие устройства, такие как катодные трубки лучей (CRT) (например, используемые в телевизоре на основе CRT, радар и сонар. Отображения), фотонные устройства, обнаруженные в интенсивных изображениях и трубках для множества фотографий (PMT), и устройства радиочастотных на основе магнетрона (RF) используется в радиолокационных передатчиках и микроволновых печи. Перед введением полупроводниковой электроники, приемники вакуумных труб без трансформаторов, питаемые непосредственно из мощности переменного тока, иногда использовали дублируемые напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока из линии электроэнергии 100–120 В.

Количественная оценка выпрямителей

Несколько соотношений используются для количественной оценки функции и производительности выпрямителей или их вывода, включая коэффициент использования трансформатора (TUF), коэффициент конверсии ( η ), коэффициент волны, форм -фактор и пиковой коэффициент. Двумя основными показателями являются напряжение постоянного тока (или смещение) и пиковое пиковое напряжение, которые являются составляющими компонентами выходного напряжения.

Коэффициент конверсии

Коэффициент конверсии (также называемый «коэффициент выпрямления» и смущающе, «эффективность») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от поставок переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями соотношение составляет менее 100%, потому что часть выходной мощности является мощностью переменного тока, а не DC, который проявляется как волновая, наложенная на форму волны постоянного тока. Соотношение может быть улучшено с использованием сглаживания цепей, которые уменьшают пульс и, следовательно, снижают содержание переменного тока на выход. Коэффициент конверсии уменьшается за счет потерь при обмотке трансформатора и рассеянности мощности в самом элементе выпрямителя. Это соотношение имеет мало практического значения, потому что выпрямитель почти всегда сопровождается фильтром для увеличения напряжения постоянного тока и уменьшения пульсации. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях коэффициент конверсии достаточно высок, а сглаживание не нужно. ^{[ 8 ]} В других цепях, таких как цепью нагревателей филаментов в электронике вакуумной трубки, где нагрузка почти полностью резистивна, сглаживание сглаживания может быть опущено, потому что резисторы рассеивают мощность как переменного тока, так и постоянного тока, поэтому мощность не теряется.

Для полуволнового выпрямителя соотношение очень скромное.

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

(Делители 2, а не √ 2 , потому что на отрицательный полуцикл не доставляется.

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

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для выпрямителя наполовину

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

Точно так же для полного волнового 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 полноволновые выпрямители, имеют гораздо большие коэффициенты конверсии, потому что волновая пульсация по 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 полноволнового 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, доступное на входном резисторе, к оценке переменного тока выходной катушки трансформатора. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

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

А $VA$ Рейтинг трансформатора может быть определен как: $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$

Выпрямитель напряжение

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

Настоящий выпрямитель, характерно, отбрасывает часть входного напряжения ( падение напряжения , для кремниевых устройств, обычно 0,7 вольт плюс эквивалентное сопротивление, в целом нелинейно)-и на высоких частотах искажает формы волны другими способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую силу.

Аспектом наиболее исправления является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванного встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычных диодов кремния P-N и 0,3 В для диодов Шоттки ). Полуволновое исправление и полное выпрямление с использованием вторичного центра в центре создают пиковую потерю напряжения от одного падения диода. Устранение моста имеет потерю двух диодных капель. Это уменьшает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо исправить очень низкое чередующее напряжение. Поскольку диоды не проводят ниже этого напряжения, схема проходит только ток для части каждого полуцикла, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух диодов ".

Пиковая потеря очень важна для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или менее), но незначительна в высоковольтных приложениях, таких как системы передачи мощности HVDC.

Гармоническое искажение

Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, производят гармоники тока исходной частоты на стороне переменного тока и гармоники напряжения исходной частоты на стороне постоянного тока из-за поведения переключения.

Выпрямитель выходной сглаживание

В то время как полуволновое и полное выпрямление обеспечивает однонаправленный ток, ни один из них не производит постоянное напряжение. На частоте источника есть большой компонент напряжения переменного пульсации для полупредного выпрямителя и вдвое превышающую частоту источника для полного волнового выпрямителя. Волеваемое напряжение обычно определяется пиком к пике. Производство устойчивого постоянного тока из выпрямленной подачи переменного тока требует сглаживающей цепи или фильтра . В самой простой форме это может быть просто конденсатором (функционируя как сглаживающий конденсатор, так и резервуар, ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} буферный или объемный конденсатор), дроссель, резистор, дзенерод и резистор, или регулятор напряжения, расположенные на выходе выпрямителя. На практике большинство сглаживающих фильтров используют несколько компонентов для эффективного снижения напряжения пульсации до уровня, допускаемого цепью.

Фильтр -конденсатор выделяет свою хранимую энергию во время части цикла переменного тока, когда источник переменного тока не обеспечивает никакой энергии, то есть, когда источник переменного тока изменяет направление потока тока.

Производительность с источником с низким импедансом

Приведенная выше диаграмма показывает формы волны напряжения производительности резервуара при подаче из источника напряжения с почти нулевым импедансом , таким как сетевая подача. Оба напряжения начинаются с нуля в момент времени t = 0 в левом левом углу изображения, затем напряжение конденсатора следует за исправленным напряжением переменного тока при его увеличении, конденсатор заряжается, а ток подается на нагрузку. В конце сети -четверть цикла конденсатор взимается с пикового значения VP напряжения выпрямителя. После этого входное напряжение выпрямителя начинает уменьшаться до своего минимального значения Vmin, когда он входит в цикл следующего квартала. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку, в то время как конденсатор удерживает выходное напряжение к нагрузке.

Размер конденсатора C определяется количеством Ripple R, которое можно переносить, где r = (vp-vmin)/vp. ^{[ 13 ]}

Эти схемы очень часто питаются из трансформаторов , которые могут иметь значительный внутренний импеданс в форме сопротивления и/или реактивного сопротивления . Внутренний импеданс трансформатора изменяет форму волны конденсатора резервуара, изменяет пиковое напряжение и вводит проблемы регулирования.

Входной фильтр конденсатора

Для данной нагрузки определение размера сглаживающего конденсатора - это компромисс между уменьшением силового напряжения и увеличением волнового тока. Пиковой ток устанавливается скоростью повышения напряжения питания на повышающемся краю входящей синусоидальной волны, уменьшенной при сопротивлении обмотков трансформатора. Высокие пульсионные токи увеличивают ²R Потеря (в форме тепла) в конденсаторе, выпрямителе и обмотках трансформаторов и могут превышать усилительность компонентов или рейтинги VA трансформатора. Выпрямители вакуумных трубок указывают максимальную емкость входного конденсатора, а выпрямители диода SS также имеют ограничения тока. Конденсаторы для этого приложения нуждаются в низком СПР , или пульсальный ток может перегревать их. Чтобы ограничить напряжение пульсации до указанного значения, необходимый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционально частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя на входной цикл. Полноволновый выпрямленный выход требует меньшего конденсатора, потому что он вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выхода. Чтобы уменьшить волну до удовлетворительного предела, только с одним конденсатором часто требуется конденсатор непрактичного размера. Это связано с тем, что рейтинг тока пульсации конденсатора не увеличивается линейно с размерами, а также могут быть ограничения высоты. Для высоких текущих приложений банки конденсаторов используются вместо этого.

Дроссельный входной фильтр

Также возможно поместить исправленную форму волны в фильтр ввода дросселя. Преимущество этой схемы состоит в том, что тока формы волны является более плавным: ток нарисуется по всему циклу, вместо того, чтобы нарисоваться в импульсах на пиках напряжения переменного тока каждый полужир, как в входном фильтре конденсатора. Недостатком является то, что выход напряжения намного ниже-среднее значение полуцикла переменного тока, а не пика; Это около 90% среднеквадратичного напряжения по сравнению с ${\sqrt {2}}$ Время среднеквадратичного напряжения (разгрузка) для входного фильтра конденсатора. Офсетирование этого является превосходным регулированием напряжения и более высоким доступным током, который снижает потребности в пиковом напряжении и пульсационном токе на компонентах питания. Индукторы требуют ядра железа или других магнитных материалов, а также добавляют вес и размер. Таким образом, их использование в расходных материалах для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых цепей, таких как регуляторы напряжения. ^{[ 14 ]}

Резистор как входной фильтр

В тех случаях, когда трансплексное напряжение незначительно, как и зарядные устройства, входной фильтр может быть односменным резистором для регулировки выходного напряжения на то, что требуется цепью. Резистор уменьшает как выходное напряжение, так и напряжение пульсации пропорционально. Недостатком входного фильтра резистора является то, что он потребляет мощность в виде отработанного тепла, которая недоступна для нагрузки, поэтому он используется только в схемах низких тока.

Более высокий порядок и каскадные фильтры

Чтобы дополнительно уменьшить пульсацию, начальный элемент фильтра может сопровождаться дополнительными компонентами ряд и шунтированным фильтром или регулятором напряжения. Компоненты серии фильтров могут быть резисторами или духи; Элементы шунта могут быть резисторами или конденсаторами. Фильтр может повысить напряжение постоянного тока как Ну, уменьшите Ripple. Фильтры часто строятся из пар серий/шунтирования, называемых RC (серийный резистор, шунтирующий конденсатор) или LC (серия Dockek, Shunt Concacitor). Две общие геометрии фильтра известны как фильтры PI (конденсатор, дроссель, конденсатор) и T (дроссельный, конденсатор, дроссельный). Иногда серийные элементы являются резисторами - потому что резисторы меньше и дешевле - когда более низкий выходной сигнал желателен или допустим. Другой Вид специальной геометрии фильтра - это серия резонансного дроссельного или настроенного дроссельного фильтра. В отличие от других геометрий фильтра, которые представляют собой фильтры с низким частотой, резонансный фильтр дросселя является фильтром стопки полосы: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, которая резонирует на частоте силового напряжения, представляя очень высокое сопротивление Ripple Полем За этим может последовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Регуляторы напряжения

Более обычная альтернатива дополнительным компонентам фильтра, если нагрузка постоянного тока требует очень низкого напряжения пульсации, состоит в том, чтобы следовать входному фильтру с регулятором напряжения. Регулятор напряжения работает по другому принципу, чем фильтр, который по сути представляет собой разделитель напряжения, который сражается на напряжение на частоте пульсации вдали от нагрузки. Скорее, регулятор увеличивает или уменьшает ток, поставляемый в нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Простой пассивный регулятор напряжения шунтирования может состоять из последовательного резистора для напряжения источника падения до требуемого уровня и шунта с ZenerEde Deode с обратным Напряжение, равное установленному напряжению. Когда входное напряжение поднимается, диодные сбрасывают ток для поддержания установленного выходного напряжения. Этот вид регулятора обычно используется только в низком напряжении, схемах с низким током, потому что диоды Zener имеют как напряжение, так и ограничения тока. Это также очень неэффективно, потому что он сбрасывает избыточный ток, который недоступен для нагрузки.

Более эффективной альтернативой регулятора напряжения шунта является цепь регулятора активного напряжения . Активный регулятор использует реактивные компоненты для хранения энергии и сброса, так что большинство или весь ток, поставляемый выпрямителем, передается на нагрузку. Он также может использовать отрицательную и положительную обратную связь в сочетании с по крайней мере одним компонентом усиливающегося напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения, когда падает напряжение источника. Входной фильтр должен предотвратить падение пульсации, падающих ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для получения необходимого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного снижения пульсации, так и для решения изменений в характеристиках питания и нагрузки.

Приложения

Основное применение выпрямителей заключается в получении мощности постоянного тока от снабжения переменного тока (переменного тока в преобразователь постоянного тока). Выпрямители используются внутри питания практически всего электронного оборудования. Поставки питания переменного тока/постоянного тока могут быть широко разделены на линейные расходные материалы и питания переключенного режима . В таких питаниях выпрямитель будет последовать последовательно после трансформатора, а также будет следовать сглаживающий фильтр и, возможно, регулятор напряжения.

Преобразование мощности постоянного тока из одного напряжения в другое намного сложнее. Один из методов преобразования постоянного тока в DC сначала преобразует мощность в AC (используя устройство, называемое инвертором ), затем использует трансформатор для изменения напряжения, и, наконец, исправляет питание обратно в DC. Используется частота нескольких десятков килохерца, так как это требует гораздо меньшей индуктивности, чем на более низких частотах, и устраняет использование тяжелых, громоздких и дорогих железных трансформаторов. Другой метод преобразования напряжений постоянного тока использует зарядный насос с использованием быстрого переключения для изменения соединений конденсаторов; Этот метод, как правило, ограничен поставками до пары ватт из -за размера требуемых конденсаторов.

Выпрямители также используются для обнаружения амплитудных модулированных радиосигналов. Сигнал может быть усилен до обнаружения. Если нет, должен использоваться очень низкий диод сброса или диод с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции конденсатор и сопротивление нагрузки должны быть тщательно сопоставлены: слишком низкая емкость заставляет высокую частотную передачу проходу на выход и слишком высокий делает конденсатор просто заряжать и оставаться заряженным.

Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварки . В таких цепях требуется контроль выходного тока; Это иногда достигается путем замены некоторых диодов в выпрямитель моста на тиристоры , эффективно диоды, выход на напряжение может регулироваться путем включения и выключения с помощью фазовых контроллеров .

Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного каллинга, чтобы можно было достичь тонкого контроля за тяжкими двигателями. Выключение отключения ворот используется для производства переменного тока из поставок постоянного тока, например, на поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей . ^{[ 15 ]}

Технологии выпрямления

Электромеханический

Примерно примерно в 1905 году, когда были разработаны выпрямители трубки, устройства преобразования мощности были чисто электромеханическими по конструкции. Механические выпрямители использовали некоторую форму вращения или резонансной вибрации, приводимой в движение электромагнитами, которые управляли переключателем или коммутатором для отмены тока.

Эти механические выпрямители были шумными и имели высокие требования к техническому обслуживанию, включая смазку и замену движущихся деталей из -за износа. Открытые механические контакты под нагрузкой привели к электрическим дугам и искрым, которые нагревали и разрушали контакты. Они также не смогли обрабатывать частоты переменного тока свыше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Чтобы преобразовать чередующиеся в постоянный ток в электрических локомотивах , может использоваться синхронный выпрямитель. ^{[ Цитация необходима ]} Он состоит из синхронного двигателя, управляющего набором тяжелых электрических контактов. Двигатель вращается во времени с частотой переменного тока и периодически обращает вспять соединения на нагрузку в одно мгновение, когда синусоидальный ток проходит через нулевое перекрестное покрытие. Контакты не должны переключать большой ток, но они должны иметь возможность переносить постоянного тока локомотива большой ток для снабжения двигателей .

Вибрирующий выпрямитель

Они состояли из резонансного тростника , вибрируемого чередующимся магнитным полем, созданным электромагнитом переменного тока , с контактами, которые обращали направление тока на отрицательных половинах циклов. Они использовались в устройствах с низким содержанием питания, таких как зарядные устройства аккумулятора , чтобы исправить низкое напряжение, создаваемое с понижением трансформатора. Другое использование было в расходных материалах для батареи для портативных радиоприемников вакуумных труб, чтобы обеспечить высокое напряжение постоянного тока для труб. Они работают как механическая версия современных инверторов с твердотельным переключением состояний , с трансформатором, чтобы усилить напряжение аккумулятора и набор контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемых его магнитным полем , для повторного разрыва тока аккумулятора DC, чтобы создать пульсируя переменного тока для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе исправил высокое напряжение переменного тока от трансформатора, вторичного до постоянного тока.

Мотор-генератор

, Набор генератора двигателя или аналогичный вращающийся преобразователь , не является строго выпрямителем, поскольку он фактически не исправляет ток, а скорее генерирует DC из источника переменного тока. В «наборе мг» вал двигателя переменного тока механически связан с генератором постоянного тока . Генератор постоянного тока создает многофазные чередующиеся токи в своих якоря обмотках , которые коммутатор на валу якоря преобразует в выходной ток; или гомополярный генератор производит постоянный ток без необходимости коммутатора. Наборы MG полезны для производства DC для железнодорожных тяги, промышленных двигателей и других высокопрочных применений и были распространены во многих мощных использования DC (например, проекторы углеродных ламп для открытых теат широко доступен.

Электролитический

Электролитический выпрямитель ^{[ 16 ]} Было устройство с начала двадцатого века, которое больше не используется. Домашняя версия проиллюстрирована в книге 1913 года «Механик мальчика ^{[ 17 ]} Но это было бы подходящим для использования только при очень низком напряжении из -за низкого напряжения разбивки и риска поражения электрическим током . Более сложное устройство было запатентовано GW Carpenter в 1928 году (патент США 1671970). ^{[ 18 ]}

Когда два разных металла подвешены в растворе электролита, постоянный ток, проходящий один путь через раствор, видит меньше сопротивления, чем в другом направлении. Электролитические выпрямители чаще всего используют алюминиевый анод и свинцовый или стальный катод, взвешенные в растворе ортофосфата триаммония.

Действие по выпрямлению обусловлено тонким покрытием гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, образованном путем сначала применения сильного тока к ячейке для создания покрытия. Процесс выпрямления чувствителен к температуре, и для наилучшей эффективности не должно работать выше 86 ° F (30 ° C). Существует также напряжение разбивки , при котором покрытие проникает, а ячейка-короткометражная. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические методы, и могут быть чувствительными к изменениям использования, что может резко изменить или полностью нарушить процессы выпрямления.

Подобные электролитические устройства использовались в качестве молний в ту же эпоху путем приостановки многих алюминиевых шишек в резервуаре из раствора ортофосфата триаммония. В отличие от выпрямителя выше, использовались только алюминиевые электроды, и использовались на AC, не было поляризации, и, следовательно, не было действия выпрямителя, но химия была одинаковой. ^{[ 19 ]}

Современный электролитический конденсатор , неотъемлемый компонент большинства конфигураций выпрямительной цепи, также был разработан из электролитического выпрямителя.

Тип плазмы

Разработка технологии вакуумных труб в начале 20-го века привела к изобретению различных выпрямителей трубки, которые в значительной степени заменяли шумные, неэффективные механические выпрямители.

Меркурий-Арм

Ранняя 3-фазная промышленная ртути ртуть выпрямительная трубка

150 кВ -ртутный клапан на Manitoba Hydro электростанции , Radisson, Канада преобразованная гидроэнергетика переменного тока в округ Колумбия для передачи в отдаленные города.

Выпрямитель, используемый в системах передачи мощности высоковольтного постоянного тока (HVDC) и промышленной обработки примерно в период с 1909 по 1975 год, представляет собой выпрямитель из ртути или ртутный клапан . Устройство заключено в выпуклый стеклянный сосуд или большую металлическую ванну. Один электрод, катод , погружается в пул жидкого ртути в нижней части сосуда, и один или несколько графитовых электродов с высокой чистотой, называемыми анодами , подвешены над бассейном. Может быть несколько вспомогательных электродов, чтобы помочь в запуске и поддержании дуги. Когда между катодным пулом и подвешенными анодами устанавливается электрическая дуга, поток электронов течет от катода в аноды через ионизированную ртуть, но не иначе (в принципе, это коллега с более высокой мощью для выпрямления пламени , который использует те же односторонние свойства передачи тока плазмы, естественно, присутствующую в пламени).

Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности сотен киловатт и могут быть построены для обработки от одного до шести этапов тока переменного тока. Выпрямители ртутного привода были заменены кремниевыми выпрямителями полупроводника и мощными тиристорными цепями в середине 1970-х годов. Самые мощные выпрямители из ртути, когда-либо построенные были установлены в проекте HVDC Manitoba Hydro Nelson River Bipdc , с комбинированным рейтингом более 1 ГВт и 450 кВ. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

Газовая электронная трубка аргона

Генеральным электрическим выпрямителем Тунгара представлял собой паров ртути (пример: 5B24) или аргон (пример: 328), заполненное газообразным устройством электронной трубки с катодом вольфрама и анодом углеродной кнопки. Он работал аналогично термоэлектронным вакуумным трубным диоду, но газ в трубке ионизировался во время передней проводимости, что придает ему гораздо более низкое падение напряжения вперед, чтобы исправить более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств и аналогичных применений с 1920-х годов до более дешевых металлических выпрямителей , а также более полупроводниковых диодов, вытеснили его. Они были составлены до нескольких сотен вольт и нескольких рейтингов Amperes, а в некоторых размерах сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 представляла собой наполненную газом выпрямительную трубку, обычно используемая в вакуумных автомобильных радиостанциях в 1940-х и 1950-х годах. Это была обычная пробирная трубка с полной волной с двумя анодами и одним катодом, но была уникальной в том смысле, что у нее не было нити (таким образом, «0» в его номере типа). Электроды были сформированы таким образом, что напряжение обратного расщепления было намного выше, чем напряжение на прямом разрыве. Как только напряжение поломки было превышено, 0Z4 переключился на состояние с низкой устойчивостью с переплыванием напряжения напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная трубка (клапан)

Термионный , был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году вакуумный диод , изначально называемый клапаном Флеминга в качестве детектора для радиоволн в радиоприемниках и превратился в общий выпрямитель. Он состоял из эвакуированной стеклянной лампы с нити , нагретой отдельным током, и металлической пластинкой . Филамента, излучаемая электронами терминной излучением (эффект Эдисона), обнаруженная Томасом Эдисоном в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызвало ток электронов через трубку от филамента до пластины. Поскольку только филамент произвел электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке исправлять переменный ток.

Выпрямители из термионного диода широко использовались в расходных материалах в вакуумных электронных продуктах для потребителей, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например, All American American Five Radio -приемник, чтобы обеспечить высокое напряжение пластины постоянного тока, необходимое другим вакуумным трубам. Версии «полная волна» с двумя отдельными тарелками были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным нажатием, чтобы сделать выпрямитель с полной волной. Выпрямители вакуумных труб были изготовлены для очень высоких напряжений, таких как питания высокого напряжения для катодной пробирки телевизионных приемников , и кенотрон, используемый для источника питания в рентгеновском оборудовании. Однако по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, выпрямители вакуумных труб имеют высокое внутреннее сопротивление из -за пространственного заряда и, следовательно, высокого напряжения, вызывая высокое рассеяние мощности и низкую эффективность. Они редко способны обрабатывать токи, превышающие 250 мА из -за пределов рассеяния мощности пластины, и не могут использоваться для применений с низким напряжением, таких как зарядные устройства аккумулятора. Другое ограничение выпрямителя вакуумной трубки заключается в том, что источник питания нагревателя часто требует особых договоренностей, чтобы изолировать его от высокого напряжения схемы выпрямителя.

Твердое состояние

Кристаллический детектор

Кристаллический детектор , самый ранний тип полупроводникового диода , использовался в качестве детектора в некоторых из самых ранних радиоприемников , называемых кристаллическими радиоприемниками , для исправления волны радиопередачи и извлечения модуляции , которая давала звук в наушниках. Примерно 1902 год, изобретенная Джагадиш Чандрой Бозе и GW Pickard , это было значительным улучшением по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер . Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором кошки , состоит из кристалла некоторых полупроводниковых минералов , обычно Галена (сульфид свинца), с легкой пружинной проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченные возможности тока сделали его непригодным для приложений питания. Он широко использовался в радиоприемниках до 1920 -х годов, когда вакуумные трубки его заменили. В 1930 -х годах исследователи миниатюрировали и улучшили кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах, разрабатывая первые полупроводниковые диоды.

Выпрямители оксида селена и меди

После общего до тех пор, пока в 1970-х годах в 1970-х годах эти единицы использовали более компактные и менее дорогостоящие твердотельные выпрямители кремния, эти единицы использовали стопки металлических пластин с оксидом и воспользовались полупроводника свойствами селена или оксида меди. ^{[ 22 ]} В то время как выпрямители селена были легче по весу и использовали меньше мощности, чем сопоставимые выпрямители вакуумных труб, они имели недостаток в конечной ожидаемой продолжительности жизни, увеличивая сопротивление с возрастом и подходили только для использования на низких частотах. И выпрямители селена и оксида меди имеют несколько лучшую терпимость к мгновенным переходным процессам напряжения, чем кремниевые выпрямители.

Как правило, эти выпрямители состояли из стеков металлических пластин или шайб, скрепленных центральным болтом, с количеством стеков, определяемых напряжением; Каждая ячейка была оценена примерно за 20 В. Выпрямитель для автомобильного зарядного устройства может иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной трубки может иметь десятки сложенных пластин. Плотность тока в стеке селена с воздушным охлаждением составляла около 600 млн. Лет на квадратный дюйм активной площади (около 90 млн. Лет на квадратный сантиметр).

Диоды кремния и германия

Разнообразные кремниевые диоды различных оценок тока. Слева находится выпрямитель моста . На 3 центральных диодах нарисованная полоса идентифицирует катодный терминал

Кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили другие выпрямители. Из -за их значительно более низкого прямого напряжения (0,3 В против 0,7 В для кремниевых диодов) германия диоды имеют неотъемлемое преимущество по сравнению с диодами кремния в цепях низкого напряжения.

Высокая мощность: тиристоры (SCRS) и более новые преобразователи напряжения на основе кремния

В мощных применениях, с 1975 по 2000 год, большинство дуговых рецепторов ртути были заменены на стеки очень высоких силовых тиристоров , кремниевых устройств с двумя дополнительными слоями полупроводника, по сравнению с простым диодом.

В приложениях для передачи средней мощности еще более сложные и сложные системы преобразователя с источником напряжения (VSC) кремниевых выпрямителей, такие как биполярные транзисторы (IGBT) и выключение затвора (GTO) , сделали меньшую высокую трансмиссию DC Power Transmission. Системные экономичные. Все эти устройства функционируют как выпрямители.

По состоянию на 2009 год ^[update] Ожидалось, что эти мощные кремниевые «самообучительные переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называемый интегрированным тиристором, связанным с воротами (IGCT), будет увеличен в рейтинге мощности до уровня мощности в То, что они в конечном итоге заменит простые тиристорские системы выпрямления переменного тока для самых высоких приложений DC-трансмиссии. ^{[ 23 ]}

Активный выпрямитель

Активное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно контролируемыми переключателями, такими как транзисторы , обычно мощные мосфуты или мощность BJT . ^{[ 24 ]} В то время как нормальные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения со скоростью около 0,5-1 вольт, активные выпрямители ведут себя в качестве сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Исторически, выключатели, основанные на вибраторах управляемые двигателем, , или коммутаторы, также использовались для механических выпрямителей и синхронного выпрямления. ^{[ 25 ]}

Активное исправление имеет много приложений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать потока обратного тока, который может вызвать перегрев при частичном затенении при при этом минимальную потерю мощности.

Текущее исследование

Основной областью исследований является разработка более частотных выпрямителей, которые могут исправить в терагерц и частоты света. Эти устройства используются в оптическом обнаружении гетеродинов , которое имеет множество применений в связи с оптическими волокнами и атомными часами . Другое проспективное применение для таких устройств - напрямую исправить легкие волны, взятые крошечными антеннами , называемыми Nantennas , для производства электроэнергии постоянного тока. ^{[ 26 ]} Считается, что массивы антенн могут быть более эффективным средством продуцирования солнечной энергии, чем солнечные элементы .

Связанная область исследований заключается в разработке меньших выпрямителей, потому что меньшее устройство имеет более высокую частоту отсечения. Исследовательские проекты пытаются разработать немолекулярный выпрямитель , одну органическую молекулу , которая будет функционировать как выпрямитель.

Смотрите также

Адаптер переменного тока
Карл Фердинанд Браун (точечный контактный выпрямитель, 1874)
Точный выпрямитель
Прямая версия
Вена исправить
Варшавский выпрямитель

Ссылки

^ Моррис, Питер Робин (1990). История мировой полупроводниковой индустрии . п. 18. ISBN 978-0-86341-227-1 .
^ Душман, С. (1915). «Новое устройство для выпрямления высокого натяжения переменного тока - Kenotron» General Electric Review, стр. 156 - 167. Получено ноябрь 2021 г.
^ Душман, С. (1915). Электрическое разрядное устройство . Патент США 1 287 265. Получено ноябрь 2021 г.
^ Ландер, Кирилл В. (1993). "2. Перекрывающие схемы". Силовая электроника (3 -е изд.). Лондон: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707714-3 .
^ Уильямс, BW (1992). "Глава 11". Силовая электроника: устройства, драйверы и приложения (2 -е изд.). Basingstoke: Macmillan. ISBN 978-0-333-57351-8 .
^ Хендрик Риссик (1941). Конверторы текущего ртутью [sic]: введение в теорию и практику устройств выписки Vapour-ARC, а также к изучению явлений выпрямления . Сэр I. Pitman & Sons, Ltd.
^ Кимбарк, Эдвард Уилсон (1971). Передача постоянного тока (4. Печать. Ред.). Нью-Йорк: Wiley-Interscience. с. 508 . ISBN 978-0-471-47580-4 .
^ Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg (Eds), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютер и связь , с. 14. 13, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9 .
^ Рашид, Мухаммед (13 января 2011 г.). Руководство по электронике . Elsevier. п. 153. ISBN 9780123820372 .
^ Atul P.godse; UA Bakshi (1 января 2008 г.). Элементы электроники . Технические публикации. п. 8. ISBN 9788184312928 .
^ Синклер, Ян Робертсон (1987). «Устранение» . Электроника для электриков и инженеров (иллюстрировано изд.). Industrial Press Inc. с. 151. ISBN 978-0-83111000-0 Полем Получено 23 июня 2022 года .
^ Смит, Эдвард Х. (2013). «2.3.17. Поставки питания». Справочник инженера -механика (расширенное 12 -е изд.). Баттерворт-Хейнеманн . п. 2/42. ISBN 978-1-48310257-3 Полем Получено 23 июня 2022 года .
^ Картрайт, Кеннет; Каминский, Редактировать (2017). «Новые уравнения для емкости по сравнению с волнением питания» (PDF) . Латиноамериканский журнал физического образования . 11 (1): 1301–01 1301–11.
^ HP Westman et al., (Ed), Справочные данные для инженеров-радиобережений Пятое издание , 1968, Говард В. Самс, стр. 12-14, 12-15, 12-16
^ Манселл, AD; Shen, J. (1 января 1994 г.). «Пульсные преобразователи в приложениях тяги». Power Engineering Journal . 8 (4): 183. DOI : 10.1049/PE: 19940407 .
^ Хокинс, Неемия (1914). "54. Выпрямители" . Электрическое руководство Хокинса: принципы электричества, магнетизма, индукции, экспериментов, динамо . Нью -Йорк: Т. Одл.
^ «Как сделать электролитический выпрямитель» . Skestofbooks.com . Получено 15 марта 2012 года .
^ Патент США 1671970 , Гленн У. Карпентер, «Жидкий выпрямитель», выпущен 1928-06-05
^ Американское техническое общество (1920). Циклопедия прикладного электричества . Тол. 2. Американское техническое общество. п. 487.
^ Изображения выпрямителя Mercury-ARC в эксплуатации можно увидеть здесь: Belsize Park Deep Shelter выпрямитель 1 , Belsize Park Deep Shelter выпрямитель 2
^ Суд, Виджай К (31 мая 2004 г.). Контроллеры HVDC и FACTS: приложения статических преобразователей в энергетических системах . Springer-Verlag . п. 1. ISBN 978-1-4020-7890-3 Полем Первые 25 лет передачи HVDC были поддержаны преобразователями, имеющими ртутные дуговые клапаны до середины 1970-х годов. Следующие 25 лет до 2000 года были поддержаны линейными конвертерами с использованием тиристорных клапанов. Прогнозируется, что в следующих 25 лет преобладают конвертеры, связанные с силой [4]. Первоначально эта новая эпоха, связанная с силой, началась с конструктивных конвертеров (CCC), которые в конечном итоге были заменены на самообучительные конвертеры из-за экономической доступности мощных переключающих устройств с их превосходными характеристиками.
^ HP Westman et al., (Ed), Справочные данные для инженеров-радио, Пятое издание , 1968, Говард В. Самс и Ко, нет ISBN, Библиотека Конгресса № 43-14665 Глава 13
^ Аррилага, Джос; Лю, yonghe H; Уотсон, Невилл Р; Мюррей, Николас Дж (12 января 2010 г.). Самообъемлющие преобразователи для применений с высокой мощностью . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-68212-8 .
^ Али Эмади (2009). Интегрированные электронные преобразователи и цифровое управление . CRC Press. С. 145–146. ISBN 978-1-4398-0069-0 .
^ Морис Агнус Удин (1907). Стандартный полифазный аппарат и системы (5 -е изд.). Ван Ностранд. п. 236 Синхронный выпрямитель коммутатор.
^ Национальная лаборатория Айдахо (2007). «Сбор энергии солнца антеннами» . Получено 3 октября 2008 года .

[1] Моррис, Питер Робин (1990). История мировой полупроводниковой индустрии . п. 18. ISBN 978-0-86341-227-1 .

[2] Душман, С. (1915). «Новое устройство для выпрямления высокого натяжения переменного тока - Kenotron» General Electric Review, стр. 156 - 167. Получено ноябрь 2021 г.

[3] Душман, С. (1915). Электрическое разрядное устройство . Патент США 1 287 265. Получено ноябрь 2021 г.

[Lander93-4] Ландер, Кирилл В. (1993). "2. Перекрывающие схемы". Силовая электроника (3 -е изд.). Лондон: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707714-3 .

[5] Уильямс, BW (1992). "Глава 11". Силовая электроника: устройства, драйверы и приложения (2 -е изд.). Basingstoke: Macmillan. ISBN 978-0-333-57351-8 .

[Rissik1941-6] Хендрик Риссик (1941). Конверторы текущего ртутью [sic]: введение в теорию и практику устройств выписки Vapour-ARC, а также к изучению явлений выпрямления . Сэр I. Pitman & Sons, Ltd.

[7] Кимбарк, Эдвард Уилсон (1971). Передача постоянного тока (4. Печать. Ред.). Нью-Йорк: Wiley-Interscience. с. 508 . ISBN 978-0-471-47580-4 .

[8] Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg (Eds), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютер и связь , с. 14. 13, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9 .

[Rashid2011-9] Рашид, Мухаммед (13 января 2011 г.). Руководство по электронике . Elsevier. п. 153. ISBN 9780123820372 .

[A.P.Godse2008-10] Atul P.godse; UA Bakshi (1 января 2008 г.). Элементы электроники . Технические публикации. п. 8. ISBN 9788184312928 .

[Sinclair_1987-11] Синклер, Ян Робертсон (1987). «Устранение» . Электроника для электриков и инженеров (иллюстрировано изд.). Industrial Press Inc. с. 151. ISBN 978-0-83111000-0 Полем Получено 23 июня 2022 года .

[Smith_2013-12] Смит, Эдвард Х. (2013). «2.3.17. Поставки питания». Справочник инженера -механика (расширенное 12 -е изд.). Баттерворт-Хейнеманн . п. 2/42. ISBN 978-1-48310257-3 Полем Получено 23 июня 2022 года .

[13] Картрайт, Кеннет; Каминский, Редактировать (2017). «Новые уравнения для емкости по сравнению с волнением питания» (PDF) . Латиноамериканский журнал физического образования . 11 (1): 1301–01 1301–11.

[14] HP Westman et al., (Ed), Справочные данные для инженеров-радиобережений Пятое издание , 1968, Говард В. Самс, стр. 12-14, 12-15, 12-16

[15] Манселл, AD; Shen, J. (1 января 1994 г.). «Пульсные преобразователи в приложениях тяги». Power Engineering Journal . 8 (4): 183. DOI : 10.1049/PE: 19940407 .

[Hawkins1914-16] Хокинс, Неемия (1914). "54. Выпрямители" . Электрическое руководство Хокинса: принципы электричества, магнетизма, индукции, экспериментов, динамо . Нью -Йорк: Т. Одл.

[17] «Как сделать электролитический выпрямитель» . Skestofbooks.com . Получено 15 марта 2012 года .

[18] Патент США 1671970 , Гленн У. Карпентер, «Жидкий выпрямитель», выпущен 1928-06-05

[Society1920-19] Американское техническое общество (1920). Циклопедия прикладного электричества . Тол. 2. Американское техническое общество. п. 487.

[20] Изображения выпрямителя Mercury-ARC в эксплуатации можно увидеть здесь: Belsize Park Deep Shelter выпрямитель 1 , Belsize Park Deep Shelter выпрямитель 2

[sood1-21] Суд, Виджай К (31 мая 2004 г.). Контроллеры HVDC и FACTS: приложения статических преобразователей в энергетических системах . Springer-Verlag . п. 1. ISBN 978-1-4020-7890-3 Полем Первые 25 лет передачи HVDC были поддержаны преобразователями, имеющими ртутные дуговые клапаны до середины 1970-х годов. Следующие 25 лет до 2000 года были поддержаны линейными конвертерами с использованием тиристорных клапанов. Прогнозируется, что в следующих 25 лет преобладают конвертеры, связанные с силой [4]. Первоначально эта новая эпоха, связанная с силой, началась с конструктивных конвертеров (CCC), которые в конечном итоге были заменены на самообучительные конвертеры из-за экономической доступности мощных переключающих устройств с их превосходными характеристиками.

[22] HP Westman et al., (Ed), Справочные данные для инженеров-радио, Пятое издание , 1968, Говард В. Самс и Ко, нет ISBN, Библиотека Конгресса № 43-14665 Глава 13

[23] Аррилага, Джос; Лю, yonghe H; Уотсон, Невилл Р; Мюррей, Николас Дж (12 января 2010 г.). Самообъемлющие преобразователи для применений с высокой мощностью . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-68212-8 .

[emadi-24] Али Эмади (2009). Интегрированные электронные преобразователи и цифровое управление . CRC Press. С. 145–146. ISBN 978-1-4398-0069-0 .

[25] Морис Агнус Удин (1907). Стандартный полифазный аппарат и системы (5 -е изд.). Ван Ностранд. п. 236 Синхронный выпрямитель коммутатор.

[26] Национальная лаборатория Айдахо (2007). «Сбор энергии солнца антеннами» . Получено 3 октября 2008 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]