Александр Кораблев
В кратком обзоре приведены основные сведения о выпрямителях, а также показаны некоторые примеры их использования на практике.
Введение
После того как сторонники переменного тока из компании Джорджа Вестингауза (George Westinghouse) одержали победу в войне токов, разразившейся в конце 1880-х — начале 1890-х гг., появление выпрямительных устройств было лишь вопросом времени. Выделим основные моменты их развития. Первые выпрямители большой мощности опирались на эффект дугового разряда в парах ртути. Патент на этот выпрямитель получил американец Питер Купер-Хьюитт (Peter Cooper Hewitt) в 1901 г.
Выпрямители на основе электрической дуги исследовал В. Ф. Миткевич, он же в 1901 г. предложил схему двухполупериодного выпрямления. Схемы одно- и двухполупериодных выпрямителей были разработаны в 1911 г. Н. Д. Папалекси. В 1924 г. несколько схем выпрямления было предложено А. Н. Ларионовым, и они используются до сих пор, кроме того, на их основе были созданы другие выпрямительные схемы. Качественный скачок в развитии выпрямительных устройств произошел в 1950-х гг., когда появились первые мощные силовые диоды.
Диодный мост: принцип работы
Принцип действия выпрямительных схем довольно прост и не нуждается в подробном описании. Тем не менее при выборе схемы выпрямления и компонентов выпрямителя есть моменты, на которые не всегда обращают внимание. На рис. 1 показана простейшая схема однополупериодного выпрямителя, работающего на активную (рис. 1б) и активно-индуктивную (рис. 1в) нагрузку. На этой и последующих схемах приняты следующие обозначения:
- i1, u1 — ток и напряжение первичной обмотки;
- i2, e2 — ток и напряжение вторичной обмотки;
- ia — анодный ток диода;
- ua — напряжение на диоде;
- id, ud — ток и напряжение нагрузки.
Рис. 1. а) Однополупериодный выпрямитель; временная диаграмма работы: б) на активную нагрузку; в) на активно-индуктивную нагрузку
При активной нагрузке, когда ток и напряжение совпадают по фазе, среднее выпрямленное напряжение на нагрузке определяется интегрированием полуволны синусоиды напряжения:
,
где: — амплитудное значение выпрямленного вторичного напряжения.
Здесь и далее для упрощения анализа мы не будем учитывать падение напряжения на выпрямительных диодах.
При работе на активно-индуктивную нагрузку (рис. 1в) ток отстает по фазе от напряжения и выпрямительный диод не закрывается до тех пор, пока ток индуктивности не спадает до нуля. Поэтому выпрямительный диод остается открытым и при отрицательном напряжении на вторичной обмотке, следовательно, выпрямленное напряжение уменьшается. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо параллельно индуктивной нагрузке включить обратный диод, который образует замкнутый контур для тока индуктивности.
При однополупериодном выпрямлении, когда ток нагрузки протекает через трансформатор только в течение половины периода, появляется постоянная составляющая в токе нагрузки и как следствие - подмагничивание сердечника трансформатора. При этом чем меньше габаритная мощность трансформатора, тем больше сказывается такое влияние тока нагрузки. Однополупериодный выпрямитель применяется чаще всего при мощности нагрузки, не превышающей несколько Ватт. Частота пульсации выпрямленного напряжения в таком выпрямителе равна частоте питающей сети.
Рис. 2. а) Мостовой диодный выпрямительный мост; временная диаграмма работы: а) на активную нагрузку; в) на активно-индуктивную нагрузку
Мостовой диодный выпрямительный мост и временная диаграмма его работы показана на рис. 2. Нетрудно увидеть, что выпрямленное напряжение нагрузки диодного моста вдвое больше, чем у однополупериодного выпрямителя и составляет 0,9U2. Также в случае использования диодного моста отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора. Частота пульсации (основная гармоника) выпрямленного напряжения в мостовом выпрямителе вдвое больше частоты сети.
Применение диодных выпрямителей
В цепях средней и большой мощности свыше сотен Ватт используется трехфазная сеть и либо трехфазный выпрямитель с нулевым проводом (схема Ларионова), либо трехфазный диодный мост. У каждого из них свои преимущества и недостатки, которые мы отразили в таблице.
Таблица. Сравнение трехфазных диодных выпрямителя и моста
|
Трехфазный диодный выпрямитель с нулевым проводом (схема Ларионова) |
Трехфазный диодный мост |
||
|
Достоинства |
Недостатки |
Достоинства |
Недостатки |
|
Ток нагрузки проходит только через один диод, следовательно, меньше падение напряжения на диодах |
Подмагничивание трансформатора |
Минимальная мощность трансформатора |
Ток нагрузки проходит через 2 диода. Следовательно, больше падения напряжения на них, что может быть критично при низком выпрямленном напряжении |
|
Используется меньше диодов |
Обратное напряжение на диодах вдвое выше, чем в мостовой схеме и составляет 2,09Ud |
Обратное напряжение на диодах вдвое ниже, чем в схеме Ларионова, и составляет 1,045 Ud |
|
|
Простота управления, экономичность |
|
Малая пульсация выпрямленного напряжения |
|
Рис. 3. а) Трехфазный диодный выпрямительный мост; б) временная диаграмма работы
Как правило, при большой мощности используют трехфазную диодную мостовую схему. Она изображена на рис. 3. На этом же рисунке показаны временные диаграммы работы диодного моста. При использовании диодного моста среднее выпрямленное напряжение на нагрузке составит 1,35U2 — это максимальное выпрямленное напряжение, которое можно получить при применении упомянутых в статье выпрямителей. Более высокое значение выпрямленного напряжения можно получить только при увеличении числа фаз сети.