6. Выпрямители. Схемы выпрямления электрического тока

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

      Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max/ π = 0,318 U_max

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R_н, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср= 2*U_max/ π = 0,636 U_max

Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго - положительный):

Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».

При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

• максимальное обратное напряжение диода – U_обр ;

• максимальный ток диода – I_max ;

• прямое падение напряжения на диоде – U_пр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода U_обр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока I_max выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – U_пр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей предназначены для преобразования переменного - изменяющего полярность напряжения в однополярное - не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

МАРКИРОВКА ТРАНЗИСТОРОВ И ДИОДОВ - ЕВРОПЕЙСКАЯ СИСТЕМА PRO-ELECTRON

Маркировка полупроводников по европейской системе осуществляется следующим способом. Код маркировки представляет собой буквенно-цифровую запись. Первая буква в этом коде указывает на материал на основе которого сделан полупроводник: кремний, германий и т.п. Наиболее распространен материал - кремний, с обозначением буквой "B". Затем идет буква, обозначающая тип полупроводникового прибора, т.е. туннельный диод или генератор Холла. Далее ставится серийный номер продукта. У серийного номера есть несколько диапазонов, так например если номер вкладывается в значения 100..999, то это приборы общего назначения, если номер состоит из буквы и цифры Z10..A99, то это приборы промышленного и специального применения. Иногда к общей маркировке может еще добавляться дополнительная буква модификации прибора, она уже определяется конкретно производителем полупроводника. В таблице ниже приведены общие значения сегментов маркировки. Так например по таблице можно определить что за полупроводник обладает кодом BL153, первая буква B указывает на то, что прибор сделан из кремния, вторая буква L говорит нам, что этот прибор - мощный высокочастотный транзистор, далее идет серийный номер, который укладывается в диапазон приборов общего применения.

1 элемент	2 элемент	3 элемент	4 элемент
Буква - код материала: A - германий B - кремний С - арсенид галлия R - сульфид кадмия	Буква - тип прибора: A - детекторный, смесительный диод В - варикап С - маломощный низкочастотный транзистор D - мощный низкочастотный транзистор Е - туннельный диод F - маломощный высокочастотный транзистор G - несколько приборов в одном корпусе Н - магнитодиод K - генераторы Холла L - мощный высокочастотный транзистор М - модуляторы и умножители Холла Р - фотодиод, фототранзистор Q - излучающие приборы R - прибор, работающий в области пробоя S - маломощный переключающий транзистор T - мощный регулирующий или переключающий прибор U - мощный переключающий транзистор Х - умножительный диод Y - мощный выпрямительный диод Z - стабилитрон	Серийный номер: 100-999 приборы общего применения Z10...A99 приборы для промышленного и специального применения	Буква: модификации прибора

Цветовая маркировка диодов по европейской системе

Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON
Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-ый элемент
Золотой
Серебряный
Черный	AA	X		0
Коричневый			1	1
Красный	BA	S	2	2
Оранжевый			3	3
Желтый		T	4	4
Зеленый		V	5	5
Голубой		W	6	6
Фиолетовый			7	7
Серый		Y	8	8
Белый		Z	9	9
Пример обозначения
ВАТ85

Американская система JEDEC обозначения полупроводниковых приборов

1 элемент	2 элемент	3 элемент	4 элемент
Число p-n переходов: 1 - диод 2 - транзистор 3 - тиристор 4 - оптопара	Буква N	Серийный номер прибора (100-9999)	Буква: модификации прибора

Цветовая маркировка полупpоводниковых диодов по системе JEDEC

Цвет полосы
Цифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Буква	-	A	B	C	D	E	F	G	H	J

Примечания:

• пеpвая цифpа 1 и вторая буква N в цветовой маpкиpовке опущены;

• номеpа из двух цифp обозначаются одной чеpной полосой и двумя цветными;

• дополнительная четвертая полоса - буква;

• номеpа из тpех цифp обозначаются тpемя цветными полосами;

• дополнительная четвертая полоса - буква;

• номеpа из четыpех цифp обозначаются четыpьмя цветными полосами и пятой чеpной или цветной, обозначающей букву;

• цветные полосы находятся ближе к катоду или пеpвая от катода - шиpокая;

• тип диода читается от катода.

Японская система JIS обозначения полупроводников

1 элемент	2 элемент	3 элемент	4 элемент	5 элемент
Цифра: 0 - фотодиод, фототранзистор 1 - диод 2 - транзистор 3 - тиристор	Буква: S	Буква - тип прибора: А - высокочастотный PNP транзистор B - низкочастотный PNP транзистор С - высокочастотный NPN транзистор D - низкочастотный NPN транзистор Е - диод Есаки (четырехслойный диод PNPN) F - тиристор G - диод Ганна (четырехслойный диод NPNP) Н - однопереходной транзистор J - полевой транзистор с N-каналом К - полевой транзистор с P-каналом М - симметричный тиристор (семистор) Q - светоизлучающий диод R - выпрямительный диод S - малосигнальный диод Т - лавинный диод V - варикап Z -стабилитрон	Серийный номер: 10-9999	Одна или две буквы: модификации прибора

В японской системе как и в европейской все довольно просто. Первая цифра указывает на тип прибора по функциональности, т.е. 0 - фотодиод или 3 - тиристор. Буква S ставится на всех полупроводниках, скорее для обозначения типа элемента, следующая буква указывает на тип прибора по исполнению, т.е. А - высокочастотный PNP транзистор и т.д. далее идет серийный номер элемента (10..9999) и модификация прибора. Например 1SQ255, цифра 1 указывает нам на диод, S опускаем, т.к. мы уже знаем, что это полупроводник, Q - дополняет, что это светоизлучающий диод (светодиод), ну и его серийный номер 255.

27