Выпрямитель - Rectifier

Выпрямительный диод ( выпрямитель, управляемый кремнием ) и соответствующее монтажное оборудование. Тяжелая шпилька с резьбой прикрепляет устройство к радиатору для отвода тепла.

Выпрямитель представляет собой электрическое устройство , которое преобразует переменный ток (AC), который периодически меняет направление, чтобы постоянный ток (DC), которая протекает только в одном направлении. Обратную операцию выполняет инвертор .

Этот процесс известен как выпрямление , поскольку он «выпрямляет» направление тока. Физически выпрямители принимают различные формы, в том числе ламповые диоды , влажные химические ячейки, ртутно-дуговые клапаны , стопки пластин из меди и оксида селена , полупроводниковые диоды , кремниевые выпрямители и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и мотор-генераторные установки . Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками , использовали « кошачий ус » из тонкой проволоки, прижимаемой к кристаллу галенита (сульфида свинца), чтобы служить точечным выпрямителем или «детектором кристаллов».

Выпрямители имеют множество применений, но часто встречаются , выступающие в качестве компонентов DC источников питания и ток высокого напряжения постоянных систем передачи мощности. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерации постоянного тока для использования в качестве источника энергии. Как уже отмечалось, детекторы по радио сигналов служат в качестве выпрямителей. В системах газового отопления для обнаружения пламени используется выпрямление пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и устройства схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения равномерного устойчивого напряжения. Многие приложения выпрямителей, такие как источники питания для радио, телевидения и компьютерной техники, требуют устойчивых постоянного напряжения постоянного тока (как было бы , создаваемое батареей ). В этих приложениях выходной сигнал выпрямителя сглаживается электронным фильтром , который может быть конденсатором , дросселем или набором конденсаторов, дросселей и резисторов , за которым, возможно, следует регулятор напряжения для создания постоянного напряжения.

Более сложная схема, которая выполняет противоположную функцию, то есть преобразовывает постоянный ток в переменный, называется инвертором .

Выпрямительные устройства

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей использовались вакуумные ламповые термоэмиссионные диоды и металлические выпрямительные батареи на основе оксида меди или селена . С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов лампового аудиооборудования . Для выпрямления мощности от очень слабого до очень большого тока широко используются полупроводниковые диоды различных типов ( переходные диоды , диоды Шоттки и т. Д.).

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

Выпрямительные схемы

Цепи выпрямителя могут быть однофазными или многофазными. Большинство выпрямителей малой мощности для домашнего оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных приложений и для передачи энергии в виде постоянного тока (HVDC).

Однофазные выпрямители

Полуволновое выпрямление

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

Однополупериодный выпрямитель

Выходное постоянное напряжение холостого хода идеального полуволнового выпрямителя для синусоидального входного напряжения составляет:

${\ displaystyle {\ begin {align} V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {2}} \\ [8pt] V _ {\ mathrm {dc}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {пик}}} {\ pi}} \ end {выравнивается}}}$

куда:

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

V _peak , пиковое значение фазных входных напряжений,

V _{среднеквадратичное значение} , тем корень среднего квадрата значение (RMS) выходное напряжение.

Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель на вакуумной лампе с двумя анодами.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю форму входного сигнала в одну с постоянной полярностью (положительной или отрицательной) на выходе. Математически это соответствует функции абсолютного значения . Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входной волны в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и дает более высокое среднее выходное напряжение. Два диода и центр постучал трансформатор , или четыре диода в мостовой конфигурации и любого источника переменного тока ( в том числе трансформатора без центра крана), которые необходимы. Одинарные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом, а также четырех- или шестидиодные мосты изготавливаются как отдельные компоненты.

Мостовой выпрямитель Гретца: двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет центральное ответвление, то два диода, соединенные спина к спине (катод-катод или анод-анод, в зависимости от требуемой выходной полярности) могут образовать 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 изменяется.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным трансформатором отвода и 2 диодами.

Средняя и RMS выходного напряжения холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя являются:

${\ displaystyle {\ begin {align} V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} & = {\ frac {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ \ [8pt] V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ sqrt {2}}} \ end {выровнено}}}$

Очень распространенные вакуумные лампы с двойным диодным выпрямителем содержали один общий катод и два анода внутри одной оболочки, обеспечивая двухполупериодное выпрямление с положительным выходом. 5U4 и 80 / 5Y3 (4-контактный) / (восьмеричный) были популярными примерами этой конфигурации.

Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются для блоков питания бытовой техники. Однако для большинства промышленных и мощных применений схемы трехфазного выпрямителя являются нормой. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму полуволновой схемы, двухполупериодной схемы 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, фактически генерируют трехфазный переменный ток. Например, автомобильный генератор переменного тока содержит шесть диодов, которые работают как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

Трехфазная, полуволновая схема

Схема управляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя с тиристорами в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Неуправляемая трехфазная полуволновая средняя цепь требует трех диодов, по одному на каждую фазу. Это простейший тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высоких гармонических искажений как на соединениях переменного, так и на постоянном токе. Считается, что у этого типа выпрямителя количество импульсов равно трем, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса на цикл частоты сети:

Максимальные значения этого трехимпульсном напряжения постоянного тока вычисляется из значения RMS входных фазного напряжения (линия до нейтрального напряжения, 120 В в Северной Америке, 230 в пределах Европы при работе от сети): . Среднее выходное напряжение холостого хода получается из интеграла под графиком положительной полуволны с длительностью периода (от 30 ° до 150 °): ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {пик}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {пик}} = {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {av}}}$${\ displaystyle {\ frac {2} {3}} \ pi}$

⇒ ⇒ ≈ 1,17 ⋅${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}}$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$

Трехфазная двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом

Схема управляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя с тиристорами в качестве переключающих элементов, с трансформатором с центральным отводом, без учета индуктивности питания

Если источник переменного тока подается через трансформатор с центральным ответвлением, можно получить схему выпрямителя с улучшенными характеристиками гармоник. Для этого выпрямителя теперь требуется шесть диодов, по одному на каждом конце каждой вторичной обмотки трансформатора. Эта схема имеет шесть импульсов и, по сути, может рассматриваться как шестифазная полуволновая схема.

До того, как стали доступны твердотельные устройства, полуволновая схема и двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом очень широко использовались в промышленных выпрямителях с ртутно-дуговыми клапанами . Это было связано с тем, что три или шесть входов питания переменного тока можно было подавать на соответствующее количество анодных электродов на одном резервуаре, используя общий катод.

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

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый

Автомобильный генератор в разобранном виде с шестью диодами, составляющими двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

Для неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя используется шесть диодов, и схема снова имеет количество импульсов шесть. По этой причине его также часто называют шестипульсным мостом. В упрощенном виде схему B6 можно рассматривать как последовательное соединение двух трехпульсных центральных цепей.

Для маломощных применений двойные диоды, соединенные последовательно, с анодом первого диода, соединенным с катодом второго, изготавливаются для этой цели как единый компонент. Некоторые имеющиеся в продаже двойные диоды имеют все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.

Для приложений 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 (где требуется очень большой ток, например, при выплавке алюминия ) или последовательно (где требуются очень высокие напряжения, например, в высоковольтная передача электроэнергии постоянного тока ).

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 постоянное напряжение возникает из-за разницы мгновенных положительных и отрицательных фазных напряжений , сдвинутых по фазе на 30 °: ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$

Идеальное среднее выходное напряжение без нагрузки схемы B6 получается из интеграла под графиком импульса постоянного напряжения с длительностью периода (от 60 ° до 120 °) с пиковым значением : ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {av}}}$${\ displaystyle {\ frac {1} {3}} \ pi}$${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {DC}} = {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {пик}}}$

⇒ ⇒ ≈ 2,34 ⋅${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}}$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}$

Трехфазный вход переменного тока, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные формы выходных сигналов постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) противоположна центральной точке трансформатора (или нейтрали). проводник) имеет разность потенциалов в виде треугольного синфазного напряжения . По этой причине эти два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, иначе могут протекать токи короткого замыкания. Таким образом, заземление трехфазного мостового выпрямителя при симметричном режиме работы развязано от нейтрального проводника или заземления сетевого напряжения. При питании от трансформатора возможно заземление центральной точки моста при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети, а нейтраль вторичной обмотки не находится на земле. Однако в этом случае (пренебрежимо малые) токи утечки протекают по обмоткам трансформатора.

Синфазное напряжение формируется из соответствующих средних значений разницы между положительным и отрицательным фазными напряжениями, которые образуют пульсирующее напряжение постоянного тока. Пиковое значение дельта-напряжения составляет пикового значения фазного входного напряжения и рассчитывается как минус половина напряжения постоянного тока при 60 ° периода: ${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {общий режим}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {пик}}}$${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {пик}}}$

${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}} = V _ {\ mathrm {peak}} - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak} } \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} = V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot {\ Biggl (} 1 - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} {\ Biggl)}}$= · 0,25${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {пик}}}$

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

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {common-mode}} = {\ frac {{\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}}} {\ sqrt {3}}}}$

Если схема работает асимметрично (как простое напряжение питания с одним положительным полюсом), как положительный, так и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительному полюсу. и отрицательные формы фазных напряжений. Однако различия в фазных напряжениях приводят к шестиимпульсному постоянному напряжению (в течение периода). Строгое отделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применимы, 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):

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

Или, выраженное через линейное входное напряжение:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}$

Где:

V _LLpeak , пиковое значение линейного входного напряжения,

V _peak , пиковое значение фазных (фаза-нейтраль) входных напряжений,

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

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

Влияние индуктивности питания заключается в замедлении процесса передачи (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 мосте проводят одновременно. Угол перекрытия обычно обозначается символом μ (или u) и может составлять 20–30 ° при полной нагрузке.

С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя уменьшается до:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha + \ mu)}$

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение может быть переформулировано как:

${\ displaystyle {V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha )} - {6fL _ {\ mathrm {c}} I _ {\ mathrm {d}}}}$

Где:

L _c , коммутирующая индуктивность на фазу

I _д , постоянный ток

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° без перекрытия

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

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 20 ° и углом перекрытия 20 °

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 40 ° и углом перекрытия 20 °

Двенадцатиимпульсный мост

Двенадцатиимпульсный мостовой выпрямитель с тиристорами в качестве переключающих элементов. Один шестиимпульсный мост состоит из тиристоров с четными номерами, другой - из набора с нечетными номерами.

Хотя схемы шестипульсного выпрямителя лучше, чем однофазные или трехфазные однополупериодные выпрямители, они по-прежнему создают значительные гармонические искажения как на соединениях переменного, так и на постоянном токе. Для выпрямителей очень большой мощности обычно используется двенадцатипульсное мостовое соединение. Двенадцатиимпульсный мост состоит из двух шестиимпульсных мостовых схем, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от трансформатора питания, который обеспечивает сдвиг фазы на 30 ° между двумя мостами. Это подавляет многие характерные гармоники, которые создают шестиимпульсные мосты.

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

Выпрямители с умножением напряжения

Переключаемый полный мост / удвоитель напряжения.

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодами, направленными в противоположных направлениях, одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока. . Комбинируя оба этих параметра с отдельным сглаживанием выходного сигнала, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с раздельной шиной.

Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два последовательно соединенных конденсатора для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установить 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 с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (± 15%, прибл.) Постоянного тока из любого источника питания 120 В или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой коммутируемый режим. блок питания . Однако для заданной желаемой пульсации значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше, чем значение одного конденсатора, требуемого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выход полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной, равной половине одного из них.

Умножитель напряжения Cockcroft Walton

Можно добавить каскадные диодные и конденсаторные каскады для создания умножителя напряжения ( схема Кокрофта-Уолтона ). Эти схемы способны создавать потенциал выходного постоянного напряжения, примерно в десять раз превышающий пиковое входное напряжение переменного тока, что на практике ограничивается токовой емкостью и проблемами регулирования напряжения. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве промежуточного каскада повышения или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, питающих устройствах, таких как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевидении на ЭЛТ, радарах и сонарах. дисплеев), устройства для усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), и радиочастотные (RF) устройства на основе магнетронов, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах. До появления полупроводниковой электроники в бестрансформаторных вакуумных ламповых приемниках, питаемых непосредственно от сети переменного тока, иногда использовались удвоители напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока из линии электропередачи 100–120 В.

Количественная оценка выпрямителей

Несколько соотношений используются для количественной оценки функции и производительности выпрямителей или их выхода, включая коэффициент использования трансформатора (TUF), коэффициент преобразования ( η ), коэффициент пульсаций, форм-фактор и пик-фактор. Двумя основными показателями являются напряжение постоянного тока (или смещение) и пульсирующее напряжение пик-пик, которые являются составными компонентами выходного напряжения.

Коэффициент конверсии

Коэффициент преобразования (также называемый «коэффициентом выпрямления» и, что сбивает с толку, «КПД») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от источника переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями это соотношение меньше 100%, потому что некоторая выходная мощность является мощностью переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсации, наложенной на форму сигнала постоянного тока. Это соотношение можно улучшить с помощью схем сглаживания, которые уменьшают пульсации и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе. Коэффициент преобразования уменьшается из-за потерь в обмотках трансформатора и рассеяния мощности в самом выпрямительном элементе. Это соотношение не имеет большого практического значения, потому что 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 цепи нагревателя накала в электронике вакуумных ламп, где нагрузка почти полностью резистивная, схема сглаживания может быть опущена, потому что резисторы рассеивают как переменный, так и постоянный ток, поэтому мощность не теряется.

Для однополупериодного выпрямителя это соотношение очень скромное.

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}$ (делители равны 2, а не √ 2, потому что в отрицательном полупериоде мощность не подается)

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}$

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для полуволнового выпрямителя составляет,

${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 40,5 \%}$

Аналогично для двухполупериодного выпрямителя

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2} }}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {2 \ cdot I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}$

${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 81,0 \%}$

Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные выпрямители, имеют гораздо более высокие коэффициенты преобразования, поскольку пульсации по своей сути меньше.

Для трехфазного однополупериодного выпрямителя

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {пик}}} {2 \ pi}}}$

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {пик}}} {\ pi}}}$

Коэффициент использования трансформатора

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

${\ displaystyle TUF = {\ frac {P_ {odc}} {\ mathrm {VA \ rating \ of \ transformer}}}}$

Рейтинг трансформатора может быть определен как:${\ displaystyle VA}$${\ displaystyle VA = V _ {\ mathrm {rms}} {\ dot {I}} _ {\ mathrm {rms}} (\ mathrm {Для \ вторичной \ катушки.})}$

Падение напряжения выпрямителя

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

Аспектом большей части выпрямления является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, 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 выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к падению пикового напряжения в одно падение 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 ниже этого напряжения, схема пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений на диоде) появляются между каждым "горбом". ".

Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или меньше), но незначительны в высоковольтных приложениях, 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 поведения переключения.

Сглаживание выхода выпрямителя

Вход переменного тока (желтый) и выход постоянного тока (зеленый) однополупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором. Обратите внимание на пульсацию сигнала постоянного тока.

В то время как полуволновое и двухполупериодное выпрямление обеспечивают однонаправленный ток, ни одно из них не дает постоянного напряжения. Существует большая составляющая пульсаций переменного напряжения на частоте источника для полуволнового выпрямителя и вдвое превышающая частоту источника для двухполупериодного выпрямителя. Напряжение пульсаций обычно указывается в размахе. Для получения постоянного постоянного тока из выпрямленного переменного тока требуется сглаживающая цепь или фильтр . В простейшей форме это может быть просто конденсатор (также называемый фильтром, резервуаром или сглаживающим конденсатором), дроссель, резистор, стабилитрон и резистор или регулятор напряжения, размещенный на выходе выпрямителя. На практике в большинстве сглаживающих фильтров используется несколько компонентов для эффективного снижения пульсаций напряжения до уровня, допустимого для схемы.

Двухполупериодный диодно-мостовой выпрямитель с параллельным RC-шунтирующим фильтром

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

Производительность с источником с низким импедансом

На приведенной выше диаграмме показаны характеристики резервуара от источника с почти нулевым импедансом , такого как сеть. По мере увеличения напряжения выпрямителя он заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку. В конце четверти цикла конденсатор заряжается до своего пикового значения Vp напряжения выпрямителя. После этого напряжение выпрямителя начинает уменьшаться до минимального значения Vmin, когда оно входит в следующую четверть цикла. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку.

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

Эти цепи очень часто питаются от трансформаторов и имеют значительное сопротивление . Сопротивление трансформатора изменяет форму волны накопительного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и вызывает проблемы с регулированием.

Конденсаторный входной фильтр

Для данной нагрузки выбор сглаживающего конденсатора является компромиссом между снижением пульсационного напряжения и увеличением пульсационного тока. Пиковый ток определяется скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоидальной волны, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора. Высокие токи пульсации увеличивают потери I ² R (в виде тепла) в обмотках конденсатора, выпрямителя и трансформатора и могут превышать допустимую нагрузку на компоненты или номинальную мощность трансформатора в ВА. Выпрямители с вакуумной трубкой определяют максимальную емкость входного конденсатора, а выпрямители с SS-диодами также имеют ограничения по току. Конденсаторы для этого приложения требуют низкого ESR , иначе ток пульсации может привести к их перегреву. Чтобы ограничить пульсации напряжения заданным значением, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за цикл входа. Для двухполупериодного выпрямленного выхода требуется конденсатор меньшего размера, поскольку он вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выхода. Чтобы снизить пульсации до удовлетворительного предела с помощью всего лишь одного конденсатора, часто требуется конденсатор непрактичного размера. Это связано с тем, что номинальный ток пульсации конденсатора не увеличивается линейно с размером, а также могут быть ограничения по высоте. Для сильноточных приложений вместо них используются батареи конденсаторов.

Входной фильтр дросселя

Также возможно поместить выпрямленный сигнал во входной дроссельный фильтр . Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не импульсами 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 примерно 90% среднеквадратичного напряжения в зависимости от умноженного на действующее значение напряжения (без нагрузки) для конденсаторного входного фильтра. Смещение обеспечивает превосходное регулирование напряжения и более высокий доступный ток, что снижает требования к пиковому напряжению и току пульсаций 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 для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения. ${\ displaystyle {\ sqrt {2}}}$

Резистор как входной фильтр

В случаях, когда пульсации напряжения незначительны, например, в зарядных устройствах для аккумуляторов, входной фильтр может быть одним последовательным резистором для регулировки выходного напряжения до требуемого для схемы. Резистор пропорционально снижает выходное напряжение и пульсирующее напряжение. Недостатком входного фильтра резистора является то, что он потребляет энергию в виде отработанного тепла, которое недоступно для нагрузки, поэтому он используется только в слаботочных цепях.

Фильтры высшего порядка и каскадные фильтры

Для дальнейшего уменьшения пульсаций за начальным фильтрующим элементом могут быть установлены дополнительные компоненты переменного последовательного и шунтирующего фильтров или регулятор напряжения. Компоненты последовательного фильтра могут быть резисторами или дросселями; шунтирующие элементы могут быть резисторами или конденсаторами. Фильтр может повышать напряжение постоянного тока, а также уменьшать пульсации. Фильтры часто состоят из пар последовательно соединенных / шунтирующих компонентов, называемых 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 - потому что резисторы меньше и дешевле - когда более низкий выход постоянного тока желателен или допустим. Другой вид специальной геометрии фильтра - это последовательный резонансный дроссель или настроенный дроссельный фильтр. В отличие от других конфигураций фильтров, которые представляют собой фильтры нижних частот, резонансный дроссельный фильтр является полосовым фильтром: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, который резонирует на частоте пульсации напряжения, обеспечивая очень высокий импеданс пульсации. . За ним может последовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Регуляторы напряжения

Более обычной альтернативой дополнительным фильтрующим компонентам, если нагрузка постоянного тока требует очень низкого напряжения пульсаций, является отслеживание входного фильтра с помощью регулятора напряжения. Стабилизатор напряжения работает по другому принципу, чем фильтр, который, по сути, представляет собой делитель напряжения, который шунтирует 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 для понижения напряжения источника до требуемого уровня и шунта на стабилитроне с обратным напряжением, равным установленному напряжению. Когда входное напряжение возрастает, диод сбрасывает ток, чтобы поддерживать установленное выходное напряжение. Этот тип стабилизатора обычно используется только в цепях низкого напряжения и тока, поскольку стабилитроны имеют ограничения как по напряжению, так и по току. Еще он очень неэффективен, так как сбрасывает лишний ток, недоступный нагрузке.

Более эффективная альтернатива шунтирующему стабилизатору напряжения - схема активного регулятора напряжения . В активном регуляторе используются реактивные компоненты для хранения и разряда энергии, так что большая часть или весь ток, подаваемый выпрямителем, передается на 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 получения требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для устранения отклонений в характеристиках питания и нагрузки.

Приложения

Основное применение выпрямителей - получение энергии постоянного тока от источника переменного тока (преобразователь переменного тока в постоянный). Выпрямители используются в блоках питания практически всего электронного оборудования. Источники питания переменного / постоянного тока можно в общих чертах разделить на линейные источники питания и импульсные источники питания . В таких источниках питания выпрямитель будет включен последовательно за трансформатором, за ним будет следовать сглаживающий фильтр и, возможно, регулятор напряжения.

Преобразование постоянного тока из одного напряжения в другое намного 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 на более низких частотах, и исключается использование тяжелых, громоздких и дорогих устройств с железным сердечником. В другом методе преобразования постоянного напряжения используется накачка заряда с использованием быстрого переключения 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 от амплитуды модулированных радиосигналов. Перед обнаружением сигнал может быть усилен. В противном случае следует использовать диод с очень низким падением напряжения или диод с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции необходимо тщательно согласовать сопротивление конденсатора и нагрузки: 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 из диодов в мостовой выпрямитель с тиристоры , диоды эффективно которого выходное напряжение можно регулировать путем включения и выключения с фазой произвели контроллеры .

Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного подвижного состава, что позволяет добиться точного управления тяговыми двигателями. Тиристоры отключения затвора используются для выработки переменного тока от источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей.

Ректификационные технологии

Электромеханический

Примерно до 1905 года, когда были разработаны выпрямители трубчатого типа, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию. В механических выпрямителях использовалась некоторая форма вращения или резонансной вибрации, приводимой в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.

Эти механические выпрямители были шумными и требовали больших затрат на техническое обслуживание. Подвижные части имели трение, которое требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разъедали контакты. Они также не могли работать с частотами переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в соответствии с частотой переменного тока и периодически меняет местами подключения к нагрузке в тот момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Контакты не должны коммутировать большой ток, но они должны иметь возможность проводить большой ток для питания тяговых двигателей постоянного тока локомотива .

Вибрационный выпрямитель

Вибратор зарядное устройство с 1922. Это произведено 6 A DC в 6 V для зарядки автомобильных батарей.

Они состояли из резонансного язычка , вибрирующего под действием переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока , с контактами, которые меняли направление тока на отрицательных полупериодах. Они использовались в устройствах с низким энергопотреблением, таких как зарядные устройства для аккумуляторов , для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое применение было в источниках питания от батарей для портативных радиоприемников на электронных лампах, чтобы обеспечить высокое постоянное напряжение для ламп. Они работали как механическая версия современных твердотельных переключающих инверторов с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного прерывания тока батареи постоянного тока для создания импульсный переменный ток для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе выпрямляет высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного тока.

Мотор-генераторная установка

Небольшая мотор-генераторная установка

Набор мотор-генератор , или подобный роторный преобразователь , не является строго выпрямителя , как это фактически не исправить тока, а генерирует постоянный ток от источника переменного тока. В «наборе MG» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока . Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своих обмотках якоря , которые коммутатор на валу якоря преобразует в выход постоянного тока; или униполярный генератор производит постоянный ток без необходимости в коммутаторе. Наборы MG полезны для производства постоянного тока для тяговых двигателей железных дорог, промышленных двигателей и других сильноточных приложений, и были распространены во многих источниках постоянного тока большой мощности (например, в проекторах угольно-дуговых ламп для уличных кинотеатров) до того, как стали применяться мощные полупроводники. широко доступный.

Электролитический

Электролитический выпрямитель было устройство с начала двадцатого века , которые больше не используются. Самодельная версия проиллюстрирована в книге «Мальчик-механик» 1913 года, но она подходит для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током . Более сложное устройство такого типа было запатентовано GW Carpenter в 1928 году (патент США 1671970).

Когда два разных металла находятся во взвешенном состоянии в растворе электролита, постоянный ток, протекающий в одном направлении через раствор, испытывает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата триаммония.

Выпрямляющее действие происходит из-за тонкого покрытия гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, которое образуется при первом приложении сильного тока к ячейке для создания покрытия. Процесс ректификации чувствителен к температуре, и для достижения максимальной эффективности не должен работать при температуре выше 86 ° F (30 ° C). Также существует пробивное напряжение в местах проникновения покрытия и короткого замыкания ячейки. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические, и могут быть чувствительны к вариациям в использовании, которые могут резко изменить или полностью нарушить процессы ректификации.

Подобные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху, подвешивая множество алюминиевых конусов в резервуаре с раствором ортофосфата триаммония. В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды, а на переменном токе не было поляризации и, следовательно, выпрямителя, но химический состав был аналогичным.

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

Тип плазмы

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

Меркурий-дуга

Ранняя трехфазная промышленная трубка выпрямителя паров ртути

Ртутно-дуговый клапан 150 кВ на гидроэлектростанции Манитоба , Рэдиссон, Канада, преобразовал гидроэнергетику переменного тока в постоянный ток для передачи в отдаленные города.

Выпрямитель, который использовался в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и в промышленной обработке в период с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговый выпрямитель или ртутно-дуговый клапан . Устройство заключено в стеклянный сосуд с луковицей или большую металлическую ванну. Один электрод, катод , погружен в резервуар с жидкой ртутью на дне резервуара, а один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами , подвешены над резервуаром. Для зажигания и поддержания дуги может быть несколько вспомогательных электродов. Когда между катодной ванной и подвешенными анодами возникает электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог выпрямления пламенем , который использует те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).

Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть сконструированы для обработки от одной до шести фаз переменного тока. Ртутно-дуговые выпрямители были заменены кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями и мощными тиристорными схемами в середине 1970-х годов. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в проекте HVDC Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC с комбинированной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ.

Электронная трубка на газе аргоне

Луковицы тунгара образца 1917 года, 2 ампера (слева) и 6 ампер

General Electric , выпрямитель Tungar был паров ртути (ex.:5B24) или аргон (ex.:328) заполненного электронного газа трубки устройство с катодом с вольфрамовой нитью и кнопка углерода анода. Он работал аналогично термоэмиссионному диоду на вакуумной трубке, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее падение прямого напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных приложений 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 в некоторых размерах сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 был газонаполненные трубки выпрямителя обычно используется в ламповых автомобильных радиоприемников в 1940 - х и 1950 - х годов. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но она была уникальна тем, что не имела нити накала (отсюда «0» в ее типовом номере). Электроды имели такую ​​форму, что обратное напряжение пробоя было намного выше, чем прямое напряжение пробоя. Как только напряжение пробоя было превышено, 0Z4 переключился в состояние с низким сопротивлением с прямым падением напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная трубка (вентиль)

Ламповые диоды

Термоэлектронный вакуумная трубка диод , первоначально под названием Флеминг клапан , был изобретен Джоном Ambrose Флемингом в 1904 году в качестве детектора для радиоволн в радиоприемниках и превратился в общий выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала, нагреваемой отдельным током, и металлической пластины анода . Нить накала испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытого Томасом Эдисоном в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от волокна к пластине. Поскольку только нить накала генерирует электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.

Термоэлектронные диодные выпрямители широко использовались в источниках питания в электронных устройствах с электронными лампами, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например, в радиоприемнике All American Five , для обеспечения высокого напряжения постоянного тока на пластине, необходимого для других электронных ламп. «Двухполупериодные» версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя. Выпрямители вакуумных трубок были сделаны для очень высоких напряжений, таких как источник питание высокого напряжения для электронно - лучевой трубки из телевизионных приемников, а также кенотрон , используемый для питания в рентгеновской аппаратуре. Однако, по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за объемного заряда и, как следствие, высокие падения напряжения, вызывающие высокое рассеивание мощности и низкий КПД. Они редко могут выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности пластин, и не могут использоваться для устройств с низким напряжением, таких как зарядные устройства. Еще одним ограничением лампового выпрямителя является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных приспособлений для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.

Твердое состояние

Кристаллический детектор

Детектор усов кошки Galena

Кристаллический детектор был первым типом полупроводникового диода. Изобретенный Джагадишем Чандрой Босом 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 появления электронных ламп. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором кошачьих усов , состоит из кристалла какого-то полупроводникового минерала , обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинящей проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченный ток сделали его непригодным для источников питания. В 1930-х годах исследователи миниатюризировали и улучшили кристаллический детектор для использования на сверхвысоких частотах.

Выпрямители из оксида селена и меди

Селеновый выпрямитель

Когда-то распространенные, пока не были заменены более компактными и менее дорогостоящими кремниевыми твердотельными выпрямителями в 1970-х годах, в этих устройствах использовались пакеты металлических пластин с оксидным покрытием и использовались полупроводниковые свойства оксида селена или меди. Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньше энергии, чем сопоставимые ламповые выпрямители, они обладали недостатком в виде конечного срока службы, увеличения сопротивления с возрастом и подходили для использования только на низких частотах. Выпрямители на основе оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные переходные процессы напряжения, чем кремниевые выпрямители.

Обычно эти выпрямители состояли из стопок металлических пластин или шайб, удерживаемых вместе 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 уложенных 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

Разнообразие кремниевых диодов разного номинального тока. Слева мостовой выпрямитель . На трех центральных диодах окрашенная полоса обозначает катодный вывод.

Кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили другие выпрямители. Благодаря существенно более низкому прямому напряжению (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

Два из трех мощных тиристорных клапанов используются для передачи электроэнергии на большие расстояния от плотин Манитобы . Сравните с ртутно-дуговой системой на том же участке плотины, приведенном выше.

В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 год большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены пакетами из тиристоров очень большой мощности , кремниевыми устройствами с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В системах передачи средней мощности даже более сложные и изощренные кремниевые полупроводниковые выпрямительные системы с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры отключения затвора (GTO) , уменьшили передачу энергии постоянного тока высокого напряжения. системы экономичные. Все эти устройства работают как выпрямители.

По состоянию на 2009 год ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называемый интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут увеличены по мощности. до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые системы выпрямления переменного тока на основе тиристоров для приложений постоянного тока с самой высокой передачей мощности.

Активный выпрямитель

Падение напряжения на диоде и МОП-транзисторе. Низкое сопротивление в открытом состоянии 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 полевых МОП-транзисторов (розовая кривая) дополнительно снижает потери, в то время как параллельное соединение нескольких диодов не приведет к значительному снижению прямого падения напряжения.

Активное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы , обычно силовые MOSFET или силовые BJT . В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители действуют как сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Исторически сложилось, что вибратор управляемый переключатель или с приводом от двигателя коммутаторы также используются для механических выпрямителей и синхронного выпрямления.

Активное исправление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затемнением при минимальных потерях мощности.

Текущее исследование

Основная область исследований - разработка высокочастотных выпрямителей, которые могут преобразовывать в терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются для обнаружения оптических гетеродинов , которые находят множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах . Другое перспективное применение таких устройств - прямое выпрямление световых волн , улавливаемых крошечными антеннами , называемыми нанотеннами , для выработки электроэнергии постоянного тока. Считается, что антенные решетки могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии, чем солнечные элементы .

Смежная область исследований - разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза. В исследовательских проектах делается попытка разработать мономолекулярный выпрямитель - единственную органическую молекулу, которая могла бы функционировать как выпрямитель.

Смотрите также

• АС адаптер
• Карл Фердинанд Браун (точечный выпрямитель, 1874 г.)
• Прецизионный выпрямитель
• Выпрямитель
• Венский выпрямитель

использованная литература