Выпрямитель - Rectifier

Для использования в других целях см. Выпрямитель (значения).

Выпрямительный диод (кремниевый управляемый выпрямитель ) и соответствующее монтажное оборудование. Тяжелая шпилька с резьбой прикрепляет устройство к радиатор рассеивать тепло.

А выпрямитель это электрическое устройство, которое обращает переменный ток (AC), который периодически меняет направление на постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Обратную операцию выполняет инвертор.

Процесс известен как исправление, поскольку он «выпрямляет» направление тока. Физически выпрямители имеют несколько форм, в том числе: ламповые диоды, влажные химические ячейки, ртутно-дуговые клапаны, стопки пластин оксида меди и селена, полупроводниковые диоды, выпрямители с кремниевым управлением и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и двигатели. Ранние радиоприемники, называемые хрустальные радиоприемники, использовал "кошачий ус "тонкой проволоки, прижимающей кристалл галенит (сульфид свинца) в качестве точечного выпрямителя или «кристаллического детектора».

Выпрямители имеют много применений, но часто используются в качестве компонентов постоянного тока. Источники питания и постоянный ток высокого напряжения системы передачи электроэнергии. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерирования постоянного тока для использования в качестве источника энергии. Как указано, детекторы из радио сигналы служат выпрямителями. В системах газового отопления исправление пламени используется для обнаружения наличия пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и устройства схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения равномерного постоянного напряжения. Для многих применений выпрямителей, таких как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуется устойчивый постоянное напряжение постоянного тока (как если бы аккумулятор ). В этих приложениях выход выпрямителя сглаживается электронный фильтр, который может быть конденсатор, удушение, или набор конденсаторов, дросселей и резисторы, возможно, за которым следует регулятор напряжения для получения постоянного напряжения.

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

Выпрямительные устройства

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей, ламповые термоэмиссионные диоды и на основе оксида меди или селена металлический выпрямитель использовались стеки.^[1] С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов ламповых. аудио оборудование. Для выпрямления мощности от очень низкого до очень высокого тока используются полупроводниковые диоды различных типов (переходные диоды, Диоды Шоттки и др.) широко используются.

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. Выпрямители высокой мощности, например, используемые в постоянный ток высокого напряжения Для передачи энергии используются кремниевые полупроводниковые приборы различных типов. Эти тиристоры или другие твердотельные переключатели с управляемым переключением, которые эффективно работают как диоды, пропускающие ток только в одном направлении.

Выпрямительные схемы

Схемы выпрямителя могут быть отдельная фаза или многофазный. Большинство выпрямителей малой мощности для бытового оборудования однофазные, 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. Математически это ступенчатая функция (для положительного прохода, отрицательного блока): положительный проход соответствует функции линейного изменения, являющейся тождественной на положительных входах, отрицательная блокировка соответствует нулю на отрицательных входах. Поскольку только одна половина входного сигнала достигает выхода, среднее напряжение ниже. Полуволновое выпрямление требует одного диод в однофазное питание, или три в трехфазное питание. Выпрямители выдают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; полуволновые выпрямители производят гораздо больше рябь чем двухполупериодные выпрямители, и требуется гораздо больше фильтрации для устранения гармоники частоты переменного тока на выходе.

Полупериодный выпрямитель

Выходное постоянное напряжение без нагрузки идеального однополупериодного выпрямителя для синусоидального входного напряжения составляет:^[2]

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

где:

V_{Округ Колумбия}, V_{средний} - постоянное или среднее выходное напряжение,

V_пик, пиковое значение фазных входных напряжений,

V_{среднеквадратичное значение}, то среднеквадратическое значение (RMS) значение выходного напряжения.

Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель на вакуумной лампе с двумя анодами.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю форму входного сигнала в форму волны постоянной полярности (положительной или отрицательной) на выходе. Математически это соответствует абсолютная величина функция. Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входной волны в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и дает более высокое среднее выходное напряжение. Два диода и центральный отводной трансформатор, или четыре диода в конфигурация моста и любой источник переменного тока (включая трансформатор без центрального ответвителя).^[3] Одинарные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом и четырех- или шести-диодные мосты изготавливаются в виде отдельных компонентов.

Мостовой выпрямитель Гретца: двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет центральный отвод, 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 остается неизменной.

Двухполупериодный выпрямитель с центральный кран трансформатор и 2 диода.

В средний и среднеквадратичные значения выходного напряжения холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя составляют:

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

Очень распространенный двухдиодный выпрямитель вакуумные трубки содержал единый общий катод и два аноды внутри одного конверта, 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 приложений трехфазный выпрямительные схемы - это норма. 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, на самом деле генерировать трехфазный переменный ток. Например, автомобильный генератор содержит шесть диодов, которые работают как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

Трехфазная, полуволновая схема

Схема управляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя с использованием тиристоры 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 гармоническое искажение на соединениях переменного и постоянного тока. Говорят, что этот тип выпрямителя имеет количество импульсов три, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса на цикл частоты сети:

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

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi ={\frac {3\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^{\circ }+\cos 30^{\circ }\right)={\frac {3\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}}$

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

Трехфазная двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом

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

Если источник переменного тока подается через трансформатор с центральным отводом, 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.

Перед твердое состояние стали доступными устройства, полуволновая схема и двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом очень часто использовались в промышленных выпрямителях, использующих ртутно-дуговые клапаны.^[4] Это было связано с тем, что три или шесть входов источника питания переменного тока можно было подавать на соответствующее количество анодных электродов в одном резервуаре, разделяя общий катод.

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

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый

Разобранный автомобиль генератор, показывая шесть диодов, составляющих двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

Для неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя используется шесть диодов, и схема снова имеет количество импульсов шесть. По этой причине его также обычно 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 один компонент. Некоторые коммерчески доступные двойные диоды имеют все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.

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, подключенных параллельно (где требуется очень высокий ток, например, в плавка алюминия ) или последовательно (где требуется очень высокое напряжение, например, в постоянный ток высокого напряжения передача энергии).

Схема управляемого трехфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (B6C) с использованием тиристоры в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания. Тиристоры пульсируют в порядке V1 – V6.

Пульсирующее напряжение постоянного тока возникает из-за разницы мгновенных положительных и отрицательных фазных напряжений. ${\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}$, сдвинутые по фазе на 30 °:

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

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

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

3-фазный вход переменного тока, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные формы выходных сигналов постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное, так и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) противоположна центральной точке трансформатора (или нейтрали). проводник) имеет разность потенциалов в виде треугольника синфазное напряжение. По этой причине эти два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, иначе могут протекать токи короткого замыкания. В земля трехфазного мостового выпрямителя в симметричном режиме работы, таким образом, развязан от нейтрального проводника или Земля сетевого напряжения. При питании от трансформатора возможно заземление центральной точки моста при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети, а точка звезды 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 ${\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }}$ составляет ¼ пикового значения фазного входного напряжения ${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$ и рассчитывается с ${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$ минус половина постоянного напряжения при 60 ° периода:

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

Среднеквадратичное значение синфазного напряжения вычисляется 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 сигналов 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:^[5]

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

Куда:

V_LLpeak, пиковое значение линейного входного напряжения,

V_пик, пиковое значение фазных (фаза-нейтраль) входных напряжений,

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

Вышеупомянутые 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 уменьшение выходного напряжения постоянного тока с увеличением нагрузки, обычно в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.

Влияние индуктивности питания заключается в замедлении процесса переключения (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 можно переформулировать как:

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

Куда:

L_c, коммутирующая индуктивность на фазу

я_d, 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

Двенадцатипульсный мостовой выпрямитель, использующий тиристоры 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, создаваемые шестипульсными мостами.

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

Выпрямители с умножением напряжения

Основная статья: Умножитель напряжения

Смотрите также: Удвоитель 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 от любого источника питания 120 В или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой импульсный источник питания. Однако для заданной желаемой пульсации емкость обоих конденсаторов должна быть вдвое больше, чем емкость одного, необходимого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выходной сигнал полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной, равной половине одного из них.

Умножитель напряжения Cockcroft Walton

Можно добавить каскадные диодные и конденсаторные каскады, чтобы получился умножитель 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 повышающего напряжения или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, таких устройствах, как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевизионных, радиолокационных и сонарных дисплеях на основе ЭЛТ), устройства усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), и радиочастотные (RF) устройства на основе магнетрона, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах. До появления полупроводниковой электроники бестрансформаторные ламповые приемники При питании напрямую от сети переменного тока иногда используются 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 пульсации, 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 «коэффициент 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. Отношение 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, и схемы сглаживания не нужны.^[6]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 полуволнового 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 равен,

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

Точно так же для двухполупериодного выпрямителя

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

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

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

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

Для трехфазного однополупериодного выпрямителя

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

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

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя

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

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

Коэффициент использования трансформатора

Коэффициент использования трансформатора (TUF) схемы выпрямителя определяется как отношение мощности постоянного тока, доступной на входном резисторе, к номинальной мощности переменного тока выходной катушки трансформатора.^[7][8]

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

В ${\displaystyle VA}$ номинал трансформатора можно определить как: ${\displaystyle VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }(\mathrm {For\ secondary\ coil.} )}$

Падение напряжения выпрямителя

Настоящий выпрямитель обычно снижает часть входного напряжения (a падение напряжения для кремниевых устройств, как правило, 0,7 В плюс эквивалентное сопротивление, в общем 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 обычного кремния). p – n переход диоды и 0,3 В для Диоды Шоттки ). Полупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к падению пикового напряжения в одно падение 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, цепь пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений диода) появляются между каждым "горбом". ".

Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или менее), 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

Смотрите также: Пульсации (электрические) § Пульсации напряжения

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. Есть большой кондиционер. рябь составляющая напряжения на частоте источника для однополупериодного выпрямителя и удвоенная частота источника для двухполупериодного выпрямителя. Напряжение пульсации обычно указывается в размахе. Для получения постоянного постоянного тока из выпрямленного источника 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 большинство сглаживающих фильтров используют 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 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 коллектора от почти нулевого значения. сопротивление источник, например сетевое питание. Как выпрямитель Напряжение увеличивается, он заряжает конденсатор, а также подает текущий к нагрузке. 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.^[9]

Эти цепи очень часто питаются от трансформаторы, и имеют значительные сопротивление. Сопротивление трансформатора изменяет форму волны накопительного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и создает проблемы регулирования.

Конденсаторный входной фильтр

Для данной нагрузки размер сглаживающего конденсатора является компромиссом между снижением пульсационного напряжения и увеличением пульсационного тока. Пиковый ток определяется скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоиды, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора. Повышенные токи пульсации увеличивают I²Потери R (в виде тепла) в обмотках конденсатора, выпрямителя и трансформатора могут превышать допустимую нагрузку компонентов 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 нужны низкие СОЭ, иначе пульсирующий ток может их перегреть. Чтобы ограничить пульсации напряжения заданным значением, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя на входной цикл. Для двухполупериодного выпрямленного выхода требуется конденсатор меньшего размера, поскольку он вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выхода. Чтобы уменьшить 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 приложений с высоким током вместо них используются батареи конденсаторов.

Входной фильтр дросселя

Также можно поместить выпрямленный сигнал в дроссельный фильтр. Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не в импульсах на пиках переменного напряжения в каждом полупериоде, как в конденсаторном входном фильтре. Недостатком является то, что выходное напряжение намного ниже - среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое; это около 90% среднеквадратичного напряжения по сравнению с ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ умноженное 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. Индукторы требуют ядра из железа или других магнитных материалов и добавьте вес и размер. Поэтому их использование в источниках питания для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения.^[10]

Резистор как входной фильтр

В случаях, когда пульсации напряжения незначительны, например, в зарядных устройствах аккумуляторных батарей, входной фильтр может быть одним последовательным резистором для регулировки выходного напряжения в соответствии с требованиями схемы. Резистор пропорционально снижает как выходное напряжение, так и пульсации напряжения. 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 элементы 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 последовательных / 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 пульсационного 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 низких пульсаций напряжения, 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 регулятор напряжения может состоять из последовательного резистора для понижения напряжения источника до необходимого уровня и Стабилитрон шунт с обратным напряжением, равным заданному. При повышении входного напряжения диод сбрасывает ток, чтобы поддерживать заданное 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, поскольку сбрасывает лишний ток, недоступный нагрузке.

Более эффективная альтернатива шунтирующему регулятору напряжения - это активный регулятор напряжения цепь. Активный регулятор использует 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 элементом усиления напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения при падении напряжения источника. Входной фильтр должен предотвращать падение пульсации ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для получения требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для устранения колебаний характеристик питания и нагрузки.

Приложения

Смотрите также: Емкостный источник питания

Основное применение выпрямителей - получение 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 в общих чертах можно 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 инвертор ), 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. Другой метод преобразования постоянного напряжения использует зарядный насос, используя быстрое переключение для изменения подключения конденсаторов; этот метод обычно ограничен мощностью до пары ватт из-за размера требуемых конденсаторов.

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Выпрямители также используются для обнаружение из амплитудно-модулированный радиосигналы. 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 к выходу, а слишком высокая заставляет конденсатор просто заряжаться и оставаться заряженным.

Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварка. В таких схемах требуется контроль выходного тока; иногда это достигается заменой некоторых диодов в мостовой выпрямитель с участием тиристоры, эффективно диоды, выходное напряжение которых можно регулировать включением и выключением с помощью фазовые контроллеры.

Тиристоры используются в различных классах железная дорога подвижной состав системы, чтобы можно было добиться точного управления тяговыми двигателями. Запорные тиристоры используются для выработки переменного тока от источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей.^[11]

Ректификационные технологии

Электромеханический

Примерно до 1905 года, когда были разработаны выпрямители трубчатого типа, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию. Механические выпрямители использовали некоторую форму 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 обслуживание. Подвижные части имели трение, что требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разрушали контакты. Они также не могли справиться с переменным током. частоты свыше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Основная статья: Синхронное выпрямление

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозы, можно использовать синхронный выпрямитель.^{[нужна цитата ]} 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 обязательно переключатель большой ток, но они должны уметь нести большой ток для питания постоянного тока локомотива тяговые двигатели.

Вибрационный выпрямитель

Основная статья: Механический выпрямитель

А вибратор зарядное устройство с 1922 года. Оно производило 6 А постоянного тока при 6 В для зарядки автомобильных аккумуляторов.

Они состояли из резонансных тростник, колеблющийся переменным магнитным полем, созданным переменным током электромагнит, с контактами, которые меняют направление тока на отрицательных полупериодах. Они использовались в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства, чтобы выпрямить низкое напряжение, создаваемое 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 переключателей. инверторы, с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного прерывания постоянного тока батареи для создания пульсирующего переменного тока для питания трансформатора. Затем второй набор контакты выпрямителя на вибратор выпрямил высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного тока.

Мотор-генераторная установка

Основные статьи: Мотор-генератор и Поворотный преобразователь

Небольшой мотор-генератор

А мотор-генераторная установка, или аналогичный вращающийся преобразователь, не является строго выпрямителем, поскольку на самом деле исправить текущий, а скорее генерирует Постоянный ток от источника переменного тока. В «наборе M-G» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом двигателя постоянного тока. генератор. Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своей арматура обмотки, которые коммутатор на валу якоря преобразуется в вывод постоянного тока; или униполярный генератор производит постоянный ток без коммутатора. Комплекты 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

В электролитический выпрямитель^[12] был устройством начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельный вариант проиллюстрирован в книге 1913 года. Мальчик-механик^[13] но он подходит для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжение пробоя и риск поражение электрическим током. Более сложное устройство такого типа было запатентовано Дж. У. Карпентером в 1928 г. (патент США 1671970).^[14]

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 аммония.

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 есть напряжение пробоя где покрытие пронизано и ячейка закорочена. Электрохимические методы часто более хрупки, 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 триаммоний-ортофосфата. В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды и использовались на переменном токе, не было поляризации и, следовательно, действия выпрямителя, но химический состав был аналогичным.^[15]

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

Тип плазмы

Развитие вакуумная труба Технология начала 20 века привела к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные, неэффективные механические выпрямители.

Меркурий-дуга

Основная статья: Клапан ртутно-дуговый

Ранняя трехфазная промышленная трубка выпрямителя паров ртути

150 кВ ртутно-дуговый клапан в Manitoba Hydro электростанция, Radisson, Канада, преобразованная в кондиционер гидроэнергетика в DC для передачи в дальние города.

Выпрямитель, который использовался в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и 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 лужу жидкой ртути на дне сосуда и один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых аноды, подвешены над бассейном. 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 для исправление пламени, 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. На смену ртутно-дуговым выпрямителям пришли кремниевые полупроводниковые выпрямители и высокомощные. тиристор схем в середине 1970-х гг. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в Manitoba Hydro Биполь реки Нельсон Проект HVDC, с комбинированной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ.^[16][17]

Электронная трубка на газе аргоне

Луковицы тунгара 1917 г., 2 ампера (осталось) и 6 ампер

В General Electric Выпрямитель Tungar был пары ртути (например: 5B24) или аргон (например: 328) газовая электронная трубка устройство с катодом из вольфрамовой нити и угольным анодом. 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 до более дешевых. металлические выпрямители, а позже и полупроводниковые диоды, вытеснили его. Они были рассчитаны на несколько сотен вольт и несколько ампер, и в некоторых размерах сильно напоминали лампа накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 представляла собой газонаполненную выпрямительную трубку, обычно используемую в вакуумная труба автомобильные радиоприемники в 1940-х и 1950-х годах. 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, чтобы напряжение обратного пробоя было намного выше, чем напряжение прямого 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)

Смотрите также: Список электронных ламп

Ламповые диоды

В термоэлектронный вакуумная труба диод первоначально назывался Клапан Флеминга, был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году как детектор радиоволн в радиоприемниках и превратился в обычный выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нить нагревается отдельным током, а металлическая пластина анод. Нить испускается электроны от термоэлектронная эмиссия (эффект Эдисона), открытый Томас Эдисон в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызвало ток электронов через трубку от нити 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, радио и телевизоры, например Вся американская пятерка радиоприемник, чтобы обеспечить высокое напряжение пластины постоянного тока, необходимое для других электронных ламп. «Двухполупериодные» версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным ответвлением для создания двухполупериодного выпрямителя. Выпрямители с вакуумной трубкой были созданы для очень высоких напряжений, например, высоковольтные источники питания для электронно-лучевая трубка из телевидение приемники, и кенотрон, используемый для питания в Рентгеновский оборудование. Однако по сравнению с современными полупроводниковыми диодами ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за космический заряд и, следовательно, 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 одно ограничение вакуумного лампового выпрямителя заключается в том, что источник питания нагревателя часто требует специальных приспособлений для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.

Твердое состояние

Кристаллический детектор

Основная статья: Кристаллический детектор

Детектор усов кошки Galena

Кристаллический детектор был первым типом полупроводникового диода. Изобретенный Джагадиш Чандра Босе и разработан Г. У. Пикард начиная с 1902 года, это было значительное улучшение по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер. Кристаллический детектор широко использовался до появления электронных ламп. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектор усов кошки, состоит из кристалла некоторых полупроводник минеральная, обычно галенит (сульфид свинца) с легкой пружинящей проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая нагрузка сделали его непригодным для источников питания. В 1930-е годы исследователи миниатюрный и улучшенный кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах.

Выпрямители из оксида селена и меди

Основная статья: Выпрямитель из металла

Селеновый выпрямитель

Когда-то распространенные до тех пор, пока в 1970-х годах их не заменили более компактные и менее дорогие кремниевые твердотельные выпрямители, в этих устройствах использовались стопки металлических пластин с оксидным покрытием и полупроводник свойства селен или оксид меди.^[18] В то время как селеновые выпрямители были легче по весу и использовали меньшую мощность, чем сопоставимые ламповые выпрямители, у них был недостаток, заключающийся в конечной продолжительности жизни, увеличивающемся с возрастом сопротивлении и подходящих для использования только на низких частотах. Выпрямители из оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные скачки 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 вакуумная труба может иметь десятки сложенных тарелок. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

Кремниевые и германиевые диоды

Основная статья: Диод

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

Кремний 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

Основная статья: Выпрямитель с кремниевым управлением

Два из трех мощных тиристорных клапанов используются для передачи энергии на большие расстояния от Manitoba Hydro плотины. Сравните с ртутно-дуговой системой на том же участке плотины выше.

В мощных устройствах с 1975 по 2000 годы большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены батареями очень большой мощности. тиристоры, кремниевые устройства с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В приложениях передачи средней мощности, даже более сложных и сложных преобразователь напряжения (VSC) кремниевые полупроводниковые выпрямительные системы, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и запорные тиристоры (ГТО), сделали меньшие системы передачи электроэнергии постоянного тока высоковольтной экономичной. Все эти устройства работают как выпрямители.

По состоянию на 2009 год^{[Обновить]} Ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называются встроенный тиристор с коммутацией затвора (IGCT), будет увеличена номинальная мощность до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые тиристорные системы выпрямления переменного тока для приложений постоянного тока с максимальной мощностью передачи.^[19]

Активный выпрямитель

Основная статья: Активное исправление

Падение напряжения на диоде и МОП-транзисторе. Низкое сопротивление в открытом состоянии MOSFET 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) еще больше снижает потери, в то время как параллельное соединение нескольких диодов не приведет к значительному снижению прямого падения напряжения.

Активное исправление - это метод повышения эффективности исправления путем замены диоды с активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы, обычно силовые МОП-транзисторы или силовые БЮТ.^[20] В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители ведут себя как сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Исторически сложилось так, что переключатели с приводом от вибратора или двигателем коммутаторы также использовались для механические выпрямители и синхронное выпрямление.^[21]

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 в оптическое гетеродинное обнаружение, у которого есть множество приложений в оптоволокно общение и атомные часы. Еще одно перспективное применение таких устройств - прямое исправление световых волн, улавливаемых крошечными антенны, называется нантенны для производства электроэнергии постоянного тока.^[22] Считается, что массивы антенн могли бы быть более эффективным средством производства солнечная энергия чем солнечные батареи.

Смежная область исследований - разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза. Исследовательские проекты пытаются разработать мономолекулярный выпрямитель, один органическая молекула который работал бы как выпрямитель.

Смотрите также

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

использованная литература

1. Моррис, Питер Робин (1990). История мировой полупроводниковой промышленности. п. 18. ISBN  978-0-86341-227-1.
2. Лендер, Сирил В. (1993). «2. Выпрямительные схемы». Силовая электроника (3-е изд.). Лондон: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-707714-3.
3. Уильямс, Б. В. (1992). «Глава 11». Силовая электроника: устройства, драйверы и приложения (2-е изд.). Бейсингсток: Макмиллан. ISBN  978-0-333-57351-8.
4. Хендрик Рисик (1941). Преобразователи тока ртутно-дуговые [sic]: введение в теорию и практику устройств пародугового разряда и изучение явлений выпрямления. Сэр I. Pitman & sons, ltd.
5. Кимбарк, Эдвард Уилсон (1971). Передача постоянного тока (4. полиграф. Ред.). Нью-Йорк: Wiley-Interscience. стр.508. ISBN  978-0-471-47580-4.
6. Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург (редакторы), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютер и связь, п. 14. 13, Newnes, 2002 г. ISBN  0-7506-7291-9.
7. Рашид, Мухаммад (13 января 2011 г.). РУКОВОДСТВО ПО СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ. Эльзевир. п. 153. ISBN  9780123820372.
8. А.П. Годсе, У.А. Бакши (1 января 2008 г.). Элементы электронной техники. Технические публикации. п. 8. ISBN  9788184312928.
9. Картрайт, Кеннет; Каминский, Edit (2017). «Новые уравнения для зависимости емкости от пульсации в источниках питания» (PDF). Латиноамериканский журнал физического образования. 11 (1): 1301–01 1301–11.
10. H. P. Westman et al., (Редактор), Справочные данные для радиоинженеров, пятое издание, 1968, Howard W. Sams, стр. 12-14, 12-15, 12-16
11. Mansell, A.D .; Шен, Дж. (1 января 1994 г.). «Импульсные преобразователи в тяговых приложениях». Энергетический журнал. 8 (4): 183. Дои:10.1049 / pe: 19940407.
12. Хокинс, Неемия (1914). «54. Выпрямители». Руководство Хокинса по электричеству: принципы электричества, магнетизма, индукции, экспериментов, динамо. Нью-Йорк: Т. Одель.
13. «Как сделать электролитический выпрямитель». Chestofbooks.com. Получено 15 марта 2012.
14. Патент США 1671970, Гленн В. Карпентер, "Liquid Rectifier", выпущенный 1928-06-05. 
15. Американское техническое общество (1920). Циклопедия прикладного электричества. 2. Американское техническое общество. п. 487.
16. Фотографии ртутно-дугового выпрямителя в действии можно увидеть здесь: Выпрямитель для глубокого укрытия Belsize Park 1, Выпрямитель глубокого укрытия Белсайз Парк 2
17. Суд, Виджай К. (31 мая 2004 г.). Контроллеры HVDC и FACTS: применение статических преобразователей в энергосистемах. Springer-Verlag. п. 1. ISBN  978-1-4020-7890-3. Первые 25 лет передачи HVDC поддерживались преобразователями с ртутными дуговыми клапанами до середины 1970-х годов. Следующие 25 лет до 2000 года поддерживались преобразователями с линейной коммутацией и тиристорными вентилями. По прогнозам, в следующие 25 лет преобладают преобразователи с принудительной коммутацией [4]. Первоначально эта новая эра с принудительной коммутацией началась с преобразователей с конденсаторной коммутацией (CCC), которые в конечном итоге были заменены на самокоммутируемые преобразователи из-за экономической доступности мощных коммутирующих устройств с их превосходными характеристиками.
18. H. P. Westman et al., (Редактор), Справочные данные для радиоинженеров, пятое издание, 1968, Howard W. Sams and Co., без ISBN, карточка Библиотеки Конгресса № 43-14665, глава 13.
19. Arrillaga, Jos; Лю, Юнхэ Х; Уотсон, Невилл Р.; Мюррей, Николас Дж (12 января 2010 г.). Самокоммутирующиеся преобразователи для приложений большой мощности. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-470-68212-8.
20. Али Эмади (2009). Интегрированные силовые электронные преобразователи и цифровое управление. CRC Press. С. 145–146. ISBN  978-1-4398-0069-0.
21. Морис Агнус Уден (1907). Стандартные многофазные аппараты и системы (5-е изд.). Ван Ностранд. п.236. синхронный выпрямительный коммутатор.
22. Национальная лаборатория Айдахо (2007). «Сбор солнечной энергии с помощью антенн». Получено 3 октября 2008.