Выпрямитель

Выпрямитель — это электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC), который периодически меняет направление, в постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении.

Процесс известен как выпрямление , так как он «выпрямляет» направление тока. Физически выпрямители принимают ряд форм, включая вакуумные диоды , влажные химические элементы, ртутно-дуговые вентили , стопки медных и селеновых оксидных пластин , полупроводниковые диоды , кремниевые управляемые выпрямители и другие кремниевые полупроводниковые переключатели. Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и мотор-генераторные установки . Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками , использовали « кошачий ус » тонкой проволоки, прижимающейся к кристаллу галенита (сульфида свинца), чтобы служить точечным выпрямителем или «кристаллическим детектором».

Выпрямители имеют множество применений, но часто встречаются в качестве компонентов источников постоянного тока и систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . Выпрямление может служить и для других целей , нежели генерирование постоянного тока для использования в качестве источника питания. Как уже отмечалось, выпрямители могут служить детекторами радиосигналов . В системах газового отопления выпрямление пламени используется для обнаружения наличия пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и расположения схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения равномерного постоянного напряжения. Многие приложения выпрямителей, такие как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуют стабильного постоянного напряжения (как это было бы с батареей ). В этих приложениях выход выпрямителя сглаживается электронным фильтром , который может быть конденсатором , дросселем или набором конденсаторов, дросселей и резисторов , возможно, с последующим регулятором напряжения для получения стабильного напряжения.

Устройство, выполняющее противоположную функцию — преобразование постоянного тока в переменный, называется инвертором .

Выпрямительные устройства

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей использовались вакуумные термоэлектронные диоды и металлические выпрямительные стеки на основе оксида меди или селена . ^[1] Первые вакуумные диоды, предназначенные для выпрямительного применения в цепях электропитания, были представлены в апреле 1915 года Солом Дашманом из General Electric. ^[2]^[3] С появлением полупроводниковой электроники вакуумные выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов ламповой аудиотехники . Для выпрямления мощности от очень низкого до очень высокого тока широко используются полупроводниковые диоды различных типов ( диоды с плоским переходом , диоды Шоттки и т. д.).

Другие устройства, имеющие управляющие электроды, а также действующие как однонаправленные токовые клапаны, используются там, где требуется нечто большее, чем простое выпрямление, например, там, где требуется переменное выходное напряжение. Высокомощные выпрямители, такие как те, которые используются в передаче электроэнергии постоянного тока высокого напряжения , используют кремниевые полупроводниковые приборы различных типов. Это тиристоры или другие управляемые коммутационные твердотельные переключатели, которые эффективно функционируют как диоды для пропускания тока только в одном направлении.

Выпрямительные схемы

Схемы выпрямителей могут быть однофазными или многофазными. Большинство маломощных выпрямителей для бытового оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных применений и для передачи энергии в виде постоянного тока (HVDC).

Однофазные выпрямители

Однополупериодное выпрямление

При однополупериодном выпрямлении однофазного источника питания пропускается либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока, в то время как другая половина блокируется. Поскольку только одна половина входной волны достигает выхода, среднее напряжение ниже. Для однополупериодного выпрямления требуется один диод в однофазном источнике питания или три в трехфазном . Выпрямители выдают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; однополупериодные выпрямители производят гораздо больше пульсаций , чем двухполупериодные выпрямители, и требуется гораздо больше фильтрации для устранения гармоник частоты переменного тока на выходе.

Однополупериодный выпрямитель, «U» обозначает напряжение, «D» обозначает диод, а «R» — сопротивление.

Выходное постоянное напряжение без нагрузки идеального однополупериодного выпрямителя при синусоидальном входном напряжении равно: ^[4]

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

где:

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

V _пик , пиковое значение фазных входных напряжений,

V _rms — среднеквадратичное (RMS) значение выходного напряжения.

Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель с вакуумной лампой и двумя анодами.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю входную волну в одну с постоянной полярностью (положительную или отрицательную) на своем 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. Необходимы два диода и трансформатор со средней точкой или четыре диода в мостовой конфигурации и любой источник переменного тока (включая трансформатор без средней точки). ^[5] Одиночные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом и четырех- или шестидиодные мосты изготавливаются как отдельные компоненты.

Мостовой выпрямитель: двухполупериодный выпрямитель, использующий четыре диода.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет среднюю точку, то два диода, включенные спина к спине (катод к катоду или анод к аноду, 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 меняется.

Двухполупериодный выпрямитель с использованием трансформатора со средней точкой и 2 диодов.

Среднее и среднеквадратичное выходные напряжения холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя составляют:

{\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 распространенные двухдиодные выпрямительные вакуумные трубки содержали один общий катод и два анода внутри одной оболочки, достигая двухполупериодного выпрямления с положительным выходом. 5U4 и 80/5Y3 (4 вывода)/(октальный) были популярными примерами этой конфигурации.

Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются для питания бытового оборудования. Однако для большинства промышленных и мощных приложений нормой являются трехфазные выпрямительные схемы. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму однополупериодной схемы, двухполупериодной схемы с использованием трансформатора со средней точкой или двухполупериодной мостовой схемы.

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

Трехфазная, однополупериодная схема

Неуправляемая трехфазная полуволновая цепь средней точки требует трех диодов, по одному на каждую фазу. Это самый простой тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высокого гармонического искажения как на соединениях переменного, так и постоянного тока. Говорят, что этот тип выпрямителя имеет число импульсов три, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса на цикл частоты сетки:

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

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak} }\sin \varphi \,\mathrm {d} \varphi ={\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^{\circ }+\cos 30^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\approx 1.17V_{\mathrm {LN} }\end{aligned}}

Трехфазная двухполупериодная схема с трансформатором со средней точкой

Если источник переменного тока подается через трансформатор с центральным отводом, можно получить схему выпрямителя с улучшенными гармоническими характеристиками. Теперь для этого выпрямителя требуется шесть диодов, по одному на каждый конец вторичной обмотки каждого трансформатора . Эта схема имеет число импульсов шесть и, по сути, может рассматриваться как шестифазная, полуволновая схема.

До того, как твердотельные приборы стали доступны, однополупериодная схема и двухполупериодная схема с использованием трансформатора со средней точкой очень часто применялись в промышленных выпрямителях, использующих ртутные дуговые вентили . ^[6] Это было связано с тем, что три или шесть входов питания переменного тока могли быть поданы на соответствующее количество анодных электродов в одном резервуаре, разделяя общий катод.

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

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый

Для неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя используются шесть диодов , и схема снова имеет число импульсов шесть. По этой причине ее также обычно называют шестиимпульсным мостом. Схему B6 можно рассматривать упрощенно как последовательное соединение двух трехимпульсных центральных схем.

Для маломощных приложений двойные диоды в серии, с анодом первого диода, соединенным с катодом второго, производятся как единый компонент для этой цели. 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 более мощных приложений обычно используется одно дискретное устройство для каждого из шести плеч моста. Для самых больших мощностей каждое плечо моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств, соединенных параллельно (где требуется очень высокий ток, например, при выплавке алюминия ) или последовательно (где требуется очень высокое напряжение, например, при передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения ).

Пульсирующее постоянное напряжение возникает из-за разности мгновенных положительных и отрицательных фазных напряжений , сдвинутых по фазе на 30°: $V_{\mathrm {LN} }$

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 : $V_{\mathrm {av} }$ ${\frac {1}{3}}\pi$ ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}

\Longrightarrow V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\Longrightarrow V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\approx 2.34V_{\mathrm {LN} }

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) напротив центральной точки трансформатора (или нейтрального проводника) имеет разность потенциалов в форме треугольного синфазного напряжения . По этой причине эти два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, в противном случае будут протекать токи короткого замыкания. Заземление трехфазного мостового выпрямителя при симметричной работе, таким образом, развязано с нейтральным проводником или землей сетевого напряжения. При питании от трансформатора заземление центральной точки моста возможно при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от сетевого напряжения, а точка звезды вторичной обмотки не находится на земле. В этом случае, однако, по обмоткам трансформатора протекают (незначительные) токи утечки.

Синфазное напряжение формируется из соответствующих средних значений разностей между положительными и отрицательными фазными напряжениями, которые формируют пульсирующее постоянное напряжение. Пиковое значение дельта-напряжения составляет ⁠ ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ 1/4⁠ пикового значения входного напряжения фазы и рассчитывается с вычетом половины постоянного напряжения на 60° периода: $V_{\mathrm {peak} }$ $V_{\mathrm {peak} }$

{\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}={}&V_{\mathrm {peak} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak} }\cdot {\Biggl (}1-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {peak} }\cdot 0.25\end{aligned}}

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

V_{\text{common mode}}={\frac {{\hat {v}}_{\text{common mode}}}{\sqrt {3}}}

Если схема работает асимметрично (как простое напряжение питания с одним положительным полюсом), то и положительный, и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительным и отрицательным формам волн фазных напряжений. Однако различия в фазных напряжениях приводят к шестиимпульсному постоянному напряжению (в течение периода). Строгое разделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применяются соответственно к симметричной работе.

Трехфазный мостовой выпрямитель с управлением

Управляемый трехфазный мостовой выпрямитель использует тиристоры вместо диодов. Выходное напряжение уменьшается на коэффициент cos(α):

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

Или, выраженное через входное напряжение между линиями: ^[7]

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

где:

V _LLpeak — пиковое значение входных напряжений между линиями,

V _пик — пиковое значение фазных (фаза-нейтраль) входных напряжений, а

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

Приведенные выше уравнения справедливы только тогда, когда ток не потребляется от источника переменного тока или в теоретическом случае, когда соединения источника переменного тока не имеют индуктивности. На практике индуктивность источника приводит к снижению выходного напряжения постоянного тока с ростом нагрузки, обычно в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.

Эффект индуктивности питания заключается в замедлении процесса передачи (называемого коммутацией) от одной фазы к другой. В результате этого при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства в мосту 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

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

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение можно переписать как

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

где:

L _c — коммутационная индуктивность на фазу, а

I _d — постоянный ток.

Двенадцатиимпульсный мост

Хотя схемы шестиимпульсных выпрямителей лучше, чем однофазные выпрямители или трехфазные однополупериодные выпрямители, они все еще производят значительные гармонические искажения как на соединениях переменного, так и постоянного тока. Для очень мощных выпрямителей обычно используется двенадцатиимпульсное мостовое соединение. Двенадцатиимпульсный мост состоит из двух шестиимпульсных мостовых схем, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от трансформатора питания, который создает сдвиг фаз на 30° между двумя мостами. Это устраняет многие характерные гармоники, производимые шестиимпульсными мостами.

Сдвиг фаз на 30 градусов обычно достигается с помощью трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток, один из которых соединен звездой (звездой), а другой — треугольником.

Выпрямители, умножающие напряжение

Простой полуволновой выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодами, направленными в противоположных направлениях, одна версия подключает отрицательную клемму выхода напрямую к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода напрямую к источнику переменного тока. Объединив оба этих варианта с отдельным сглаживанием выхода, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока. Это также обеспечивает ответвление в середине, что позволяет использовать такую схему в качестве источника питания с разделенной шиной.

Вариантом этого является использование двух конденсаторов последовательно для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем размещение переключателя между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока. При разомкнутом переключателе эта схема действует как обычный мостовой выпрямитель. При замкнутом переключателе она действует как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (±15%, приблизительно) постоянного тока из любого источника питания 120 В или 230 В в мире, затем его можно подать в относительно простой импульсный источник питания . Однако для заданной желаемой пульсации значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше значения одного, необходимого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выходной сигнал однополупериодного выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентным значением половины одного из них.

В умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона каскады конденсаторов и диодов каскадируются для усиления низкого напряжения переменного тока до высокого напряжения постоянного тока. Эти схемы способны создавать потенциал выходного напряжения постоянного тока, примерно в десять раз превышающий пиковое входное напряжение переменного тока, на практике ограниченный проблемами токовой емкости и регулирования напряжения. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве каскада повышения напряжения или первичного источника высокого напряжения (HV), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, питающих такие устройства, как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевизорах на основе ЭЛТ, радарах и гидролокаторах), устройствах усиления фотонов, используемых в усилителях изображения и фотоумножительных трубках (ФЭУ), и радиочастотных (РЧ) устройствах на основе магнетронов, используемых в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах. До появления полупроводниковой электроники бестрансформаторные вакуумные трубчатые приемники, питаемые напрямую от сети переменного тока, иногда использовали 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 мерами являются постоянное напряжение (или смещение) и пик-пик напряжения пульсации, которые являются составными компонентами выходного напряжения.

Коэффициент преобразования

Коэффициент преобразования (также называемый «коэффициентом выпрямления» и, что сбивает с толку, «эффективностью») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от источника переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями коэффициент меньше 100%, поскольку часть выходной мощности представляет собой мощность переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсации, наложенной на форму волны постоянного тока. Коэффициент можно улучшить с помощью сглаживающих схем, которые уменьшают пульсацию и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе. Коэффициент преобразования уменьшается за счет потерь в обмотках трансформатора и рассеивания мощности в самом выпрямительном элементе. Это отношение имеет небольшое практическое значение, поскольку за выпрямителем почти всегда следует фильтр для увеличения напряжения постоянного тока и уменьшения пульсации. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях коэффициент преобразования достаточно высок, поэтому сглаживающая схема не нужна. ^[8] В других схемах, например, в схемах нагревателей накаливания в электронных приборах с электронными лампами, где нагрузка почти полностью резистивная, сглаживающая схема может быть исключена, поскольку резисторы рассеивают как переменный, так и постоянный ток, поэтому потери мощности отсутствуют.

Для однополупериодного выпрямителя это отношение весьма скромное.

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

(делители равны 2, а не √ 2 , поскольку в отрицательный полупериод мощность не подается)

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

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для однополупериодного выпрямителя составляет:

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

Аналогично, для двухполупериодного выпрямителя,

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

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

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

Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные выпрямители, имеют гораздо большие коэффициенты преобразования, поскольку пульсация у них изначально меньше.

Для трехфазного однополупериодного выпрямителя,

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

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

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя,

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

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

Коэффициент использования трансформатора

Коэффициент использования трансформатора (TUF) выпрямительной схемы определяется как отношение мощности постоянного тока, доступной на входном резисторе, к номинальной мощности переменного тока выходной катушки трансформатора. ^[9]^[10]

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

Номинальную мощность трансформатора можно определить как: $VA$ $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$

Падение напряжения выпрямителя

См. также: Диод § Прямое пороговое напряжение для различных полупроводников

Реальный выпрямитель характерно падает часть входного напряжения ( падение напряжения , для кремниевых устройств, обычно 0,7 вольт плюс эквивалентное сопротивление, в общем случае нелинейное) — и на высоких частотах искажает формы сигналов другими способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую мощность.

Аспектом большинства выпрямлений является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванная встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычных кремниевых p–n-переходных диодов и 0,3 В для диодов Шоттки ). Однополупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с отводом от средней точки дает потерю пикового напряжения в размере одного падения на диоде. Мостовое выпрямление имеет потерю в размере двух падений на диоде. Это снижает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо выпрямить очень низкое переменное напряжение. Поскольку диоды не проводят ток ниже этого напряжения, схема пропускает ток только в течение части каждого полупериода, в результате чего 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 ниже), но незначительны в высоковольтных приложениях, таких как системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения.

Гармоническое искажение

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

Сглаживание выходного сигнала выпрямителя

В то время как полуволновое и двухполупериодное выпрямление обеспечивает однонаправленный ток, ни одно из них не создает постоянного напряжения. Для полуволнового выпрямителя существует большая составляющая пульсирующего напряжения переменного тока на частоте источника, и в два раза больше частоты источника для двухполупериодного выпрямителя. Пульсирующее напряжение обычно указывается от пика до пика. Для получения устойчивого постоянного тока из выпрямленного переменного тока требуется сглаживающая схема или фильтр . В простейшей форме это может быть просто конденсатор (функционирующий как сглаживающий конденсатор, так и резервуар, ^[11]^[12] буфер или объемный конденсатор), дроссель, резистор, стабилитрон и резистор или регулятор напряжения, размещенный на выходе выпрямителя. На практике большинство сглаживающих фильтров используют несколько компонентов для эффективного снижения пульсирующего напряжения до уровня, приемлемого для схемы.

Фильтрующий конденсатор высвобождает накопленную энергию в течение той части цикла переменного тока, когда источник переменного тока не подает никакой мощности, то есть когда источник переменного тока меняет направление тока.

Производительность с источником низкого импеданса

На приведенной выше диаграмме показаны формы волн напряжения производительности резервуара при питании от источника напряжения с близким к нулю импедансом , например, от сети. Оба напряжения начинаются с нуля в момент времени t=0 в крайней левой части изображения, затем напряжение конденсатора следует за выпрямленным переменным напряжением по мере его увеличения, конденсатор заряжается, и ток подается на нагрузку. В конце четверти цикла сети конденсатор заряжается до пикового значения Vp напряжения выпрямителя. После этого входное напряжение выпрямителя начинает уменьшаться до своего минимального значения Vmin, когда оно входит в следующую четверть цикла. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку, в то время как конденсатор удерживает выходное напряжение на нагрузке.

Размер конденсатора C определяется допустимой величиной пульсации r, где r=(Vp-Vmin)/Vp. ^[13]

Эти схемы очень часто питаются от трансформаторов , которые могут иметь значительное внутреннее сопротивление в форме сопротивления и/или реактивности . Внутреннее сопротивление трансформатора изменяет форму волны накопительного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и вносит проблемы регулирования.

Фильтр входного конденсатора

Для заданной нагрузки выбор сглаживающего конденсатора является компромиссом между уменьшением пульсирующего напряжения и увеличением пульсирующего тока. Пиковый ток задается скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоиды, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора. Высокие пульсирующие токи увеличивают потери I ² R (в виде тепла) в конденсаторе, выпрямителе и обмотках трансформатора и могут превышать допустимую токовую нагрузку компонентов или номинальную мощность трансформатора в ВА. Выпрямители на вакуумных лампах определяют максимальную емкость входного конденсатора, а выпрямители на диодах SS также имеют ограничения по току. Конденсаторы для этого применения должны иметь низкое ESR , иначе пульсирующий ток может их перегреть. Чтобы ограничить пульсирующее напряжение до определенного значения, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за входной цикл. Двухполупериодный выпрямленный выход требует меньшего конденсатора, поскольку он вдвое превышает частоту полуполупериодного выпрямленного выхода. Чтобы уменьшить пульсацию до удовлетворительного предела с помощью всего 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 этого используются батареи конденсаторов.

Входной фильтр дросселя

Также возможно поместить выпрямленную форму волны в фильтр с дросселем на входе. Преимущество этой схемы в том, что форма волны тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не потребляется импульсами на пиках напряжения переменного тока в каждом полупериоде, как в фильтре с конденсаторным входом. Недостатком является то, что выходное напряжение намного ниже — среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое; это около 90% от среднеквадратичного напряжения по сравнению с разностью среднеквадратичного напряжения (без нагрузки) для фильтра с конденсаторным входом. Это компенсируется превосходной регулировкой напряжения и более высоким доступным током, которые снижают пиковое напряжение и пульсирующий ток, требуемые для компонентов источника питания. Для индукторов требуются сердечники из железа или других магнитных материалов, и они увеличивают вес и размер. Поэтому их использование в источниках питания для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения. ^[14] ${\sqrt {2}}$

Резистор как входной фильтр

В случаях, когда пульсация напряжения незначительна, например, в зарядных устройствах, входной фильтр может быть одним последовательным резистором для регулировки выходного напряжения в соответствии с требованиями схемы. Резистор пропорционально снижает как выходное напряжение, так и пульсацию напряжения. Недостатком входного фильтра с резистором является то, что он потребляет энергию в виде отработанного тепла, которое недоступно нагрузке, поэтому он используется только в слаботочных цепях.

Фильтры более высокого порядка и каскадные фильтры

Для дальнейшего снижения пульсации за первоначальным элементом фильтра могут следовать дополнительные чередующиеся последовательные и шунтирующие компоненты фильтра или регулятор напряжения. Последовательные компоненты фильтра могут быть резисторами или дросселями; шунтирующие элементы могут быть резисторами или конденсаторами. Фильтр может повышать постоянное напряжение, а также снижать пульсацию. Фильтры часто изготавливаются из пар последовательных/шунтирующих компонентов, называемых секциями 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 желателен или допустим более низкий выход постоянного тока. Другой вид специальной геометрии фильтра — последовательный резонансный дроссель или настроенный дроссельный фильтр. В отличие от других геометрий фильтров, которые являются фильтрами нижних частот, резонансный дроссельный фильтр является полосовым фильтром: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, которая резонирует на частоте пульсирующего напряжения, представляя очень высокое сопротивление пульсации. За ним может следовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Регуляторы напряжения

Более распространенной альтернативой дополнительным компонентам фильтра, если нагрузка постоянного тока требует очень низкого напряжения пульсации, является включение вслед за входным фильтром регулятора напряжения. Регулятор напряжения работает по иному принципу, чем фильтр, который по сути является делителем напряжения, шунтирующим напряжение на частоте пульсации от нагрузки. Вместо этого регулятор увеличивает или уменьшает ток, подаваемый на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Простой пассивный шунтирующий регулятор напряжения может состоять из последовательного резистора для снижения напряжения источника до требуемого уровня и шунта на основе стабилитрона с обратным напряжением, равным установленному напряжению. Когда входное напряжение повышается, диод сбрасывает ток для поддержания установленного выходного напряжения. Этот тип регулятора обычно используется только в низковольтных, слаботочных цепях, поскольку стабилитроны имеют ограничения как по напряжению, так и по току. Он также очень неэффективен, поскольку сбрасывает избыточный ток, который недоступен для нагрузки.

Более эффективной альтернативой шунтовому регулятору напряжения является схема активного регулятора напряжения . Активный регулятор использует реактивные компоненты для хранения и разрядки энергии, так что большая часть или весь ток, подаваемый выпрямителем, передается на нагрузку. Он также может использовать отрицательную и положительную обратную связь в сочетании с по крайней мере одним компонентом усиления напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения при падении напряжения источника. Входной фильтр должен предотвращать падение впадин пульсации ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для получения требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсации, так и для решения проблем с изменениями в характеристиках питания и нагрузки.

Приложения

Основное применение выпрямителей — получение постоянного тока из переменного тока (преобразователь переменного тока в постоянный). Выпрямители используются внутри источников питания практически всего электронного оборудования. Источники питания переменного/постоянного тока можно разделить на линейные и импульсные . В таких источниках питания выпрямитель будет последовательно подключен после трансформатора , а затем после него будет сглаживающий фильтр и, возможно, регулятор напряжения.

Преобразование постоянного тока из одного напряжения в другое намного сложнее. Один из методов преобразования постоянного тока в постоянный ток сначала преобразует мощность в переменный ток (используя устройство, называемое инвертором ) , затем использует трансформатор для изменения напряжения и, наконец, выпрямляет мощность обратно в постоянный ток. Обычно используется частота в несколько десятков килогерц, поскольку это требует гораздо меньшей индуктивности, чем на более низких частотах, и устраняет необходимость использования тяжелых, громоздких и дорогих трансформаторов с железным сердечником. Другой метод преобразования постоянного напряжения использует зарядовый насос , применяя быстрое переключение для изменения соединений конденсаторов; этот метод, как правило, ограничен поставками мощностью до пары ватт из-за размера требуемых конденсаторов.

Выпрямители также используются для обнаружения амплитудно -модулированных радиосигналов. Сигнал может быть усилен перед обнаружением. В противном случае необходимо использовать диод с очень низким падением напряжения или диод, смещенный с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции конденсатор и сопротивление нагрузки должны быть тщательно согласованы: 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 управление выходным током; иногда это достигается заменой некоторых диодов в мостовом выпрямителе на тиристоры , фактически диоды, выходное напряжение которых можно регулировать включением и выключением с помощью фазовых контроллеров .

Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного подвижного состава , чтобы можно было добиться точного управления тяговыми двигателями. Тиристоры с запиранием затвора используются для получения переменного тока из источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей . ^[15]

Технологии ректификации

Электромеханический

До 1905 года, когда были разработаны выпрямители трубчатого типа, устройства преобразования энергии были чисто электромеханическими по конструкции. Механические выпрямители использовали некоторую форму вращения или резонансной вибрации, приводимую в действие электромагнитами, которые управляли переключателем или коммутатором для изменения направления тока.

Эти механические выпрямители были шумными и имели высокие требования к обслуживанию, включая смазку и замену движущихся частей из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к электрическим дугам и искрам, которые нагревали и разрушали контакты. Они также не могли обрабатывать частоты переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. ^{[ требуется цитата ]} Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в такт с частотой переменного тока и периодически меняет полярность соединений с нагрузкой в тот момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Контакты не должны переключать большой ток, но они должны быть способны проводить большой ток для питания тяговых двигателей постоянного тока локомотива .

Вибрационный выпрямитель

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

Мотор-генераторная установка

Мотор -генераторная установка или аналогичный роторный преобразователь не является строго выпрямителем, поскольку она фактически не выпрямляет ток, а скорее генерирует постоянный ток из источника переменного тока. В «установке MG» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока . Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в обмотках якоря , которые коммутатор на валу якоря преобразует в постоянный ток на выходе; или униполярный генератор вырабатывает постоянный ток без необходимости в коммутаторе. Установки MG полезны для выработки постоянного тока для тяговых двигателей железной дороги, промышленных двигателей и других сильноточных приложений и были распространены во многих мощных применениях постоянного тока (например, в проекторах с угольно-дуговыми лампами для уличных театров) до того, как мощные полупроводники стали широко доступны.

Электролитический

Электролитический выпрямитель ^[16]был устройством начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельная версия проиллюстрирована в книге 1913 года «Мальчик-механик» ^[17], но она была бы пригодна для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током . Более сложное устройство такого рода было запатентовано Г. В. Карпентером в 1928 году (патент США 1671970). ^[18]

Когда два разных металла взвешены в растворе электролита, постоянный ток, текущий в одном направлении через раствор, встречает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. Электролитические выпрямители чаще всего используют алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, взвешенный в растворе триаммоний ортофосфата.

Действие ректификации обусловлено тонким покрытием из гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, образованным путем подачи сильного тока на ячейку для наращивания покрытия. Процесс ректификации чувствителен к температуре и для лучшей эффективности не должен работать при температуре выше 86 °F (30 °C). Существует также пробивное напряжение , когда покрытие проникает, и ячейка замыкается накоротко. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические методы, и могут быть чувствительны к изменениям в использовании, которые могут кардинально изменить или полностью нарушить процессы ректификации.

Похожие электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху путем подвешивания множества алюминиевых конусов в баке с раствором триаммоний ортофосфата. В отличие от выпрямителя выше, использовались только алюминиевые электроды, и при использовании переменного тока не было поляризации и, следовательно, не было действия выпрямителя, но химия была схожей. ^[19]

Современный электролитический конденсатор , являющийся неотъемлемым компонентом большинства схем выпрямителей, также был разработан на основе электролитического выпрямителя.

Тип плазмы

Развитие технологии электронных ламп в начале XX века привело к изобретению различных выпрямителей лампового типа, которые в значительной степени заменили шумные и неэффективные механические выпрямители.

ртутно-дуговой

Выпрямитель, используемый в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке примерно между 1909 и 1975 годами, представляет собой ртутно-дуговой выпрямитель или ртутно-дуговой клапан . Устройство заключено в стеклянный сосуд в форме луковицы или большую металлическую ванну. Один электрод, катод , погружен в бассейн жидкой ртути на дне сосуда, а один или несколько высокочистых графитовых электродов, называемых анодами , подвешены над бассейном. Может быть несколько вспомогательных электродов, помогающих в запуске и поддержании дуги. Когда между катодным бассейном и подвешенными анодами устанавливается электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог пламенного выпрямления , который использует те же односторонние свойства передачи тока плазмы, естественно присутствующей в пламени).

Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть построены 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 ртутно-дуговые выпрямители, когда-либо построенные, были установлены в проекте Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC с общей мощностью более 1 ГВт и 450 кВ. ^[20]^[21]

Электронная трубка на аргоновом газе

Выпрямитель General Electric Tungar представлял собой газонаполненную электронную лампу с парами ртути (например, 5B24) или аргоном (например, 328) с катодом из вольфрамовой нити и анодом из углеродной кнопки. Он работал аналогично термоэлектронному диоду, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее прямое падение напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств и подобных приложений с 1920-х годов, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители , а позднее и полупроводниковые диоды. Они были сделаны с номиналом в несколько сотен вольт и несколько ампер и в некоторых размерах сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 — это газонаполненная выпрямительная лампа, которая обычно использовалась в автомобильных радиоприемниках на электронных лампах 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 и «0» в ее номере типа). Электроды имели такую форму, что обратное напряжение пробоя было намного выше прямого напряжения пробоя. После превышения напряжения пробоя 0Z4 переключался в состояние низкого сопротивления с прямым падением напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная лампа (лампа)

Термоэлектронный вакуумный диод , первоначально называемый вентилем Флеминга , был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году как детектор радиоволн в радиоприемниках и превратился в общий выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала , нагреваемой отдельным током, и металлического пластинчатого анода . Нить накала испускала электроны посредством термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытого Томасом Эдисоном в 1884 году, а положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от нити накала к пластине. Поскольку только нить накала производила электроны, трубка проводила ток только в одном направлении, что позволяло трубке выпрямлять переменный ток.

Термодиодные выпрямители широко использовались в источниках питания в электронных бытовых приборах на электронных лампах, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например, радиоприемник 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 отводом от средней точки для создания двухполупериодного выпрямителя. Ламповые выпрямители были сделаны для очень высоких напряжений, таких как высоковольтный источник питания для электронно- лучевой трубки телевизионных приемников и кенотрон , используемый для питания рентгеновского оборудования. Однако, по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за пространственного заряда и, следовательно, высокие падения напряжения, что приводит к высокому рассеиванию мощности и низкой эффективности. Они редко способны выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности пластины, и не могут использоваться для низковольтных приложений, таких как зарядные устройства для аккумуляторов. Другим ограничением выпрямителя на вакуумной лампе является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных мер для его изоляции от высоких напряжений цепи выпрямителя.

Твердотельный

Детектор кристаллов

Кристаллический детектор , самый ранний тип полупроводникового диода , использовался в качестве детектора в некоторых из самых ранних радиоприемников , называемых кристаллическими радиоприемниками , для выпрямления несущей радиоволны и извлечения модуляции , которая производила звук в наушниках. Изобретенный Джагадишем Чандра Бозе и Г. В. Пикардом около 1902 года, он был значительным улучшением по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер . Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором «кошачий ус» , состоит из кристалла некоторого полупроводникового минерала , обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинящей проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая способность сделали его непригодным для приложений электропитания. Он широко использовался в радиоприемниках до 1920-х годов, когда его заменили вакуумные лампы . В 1930-х годах исследователи миниатюризировали и усовершенствовали кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах, разработав первые полупроводниковые диоды.

Селеновые и медно-оксидные выпрямители

Когда-то они были обычными, пока их не заменили более компактные и менее дорогие кремниевые твердотельные выпрямители в 1970-х годах, эти устройства использовали стопки покрытых оксидом металлических пластин и использовали полупроводниковые свойства селена или оксида меди. ^[22] Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньше энергии, чем сопоставимые выпрямители на вакуумных лампах, они имели недостаток в виде конечного срока службы, увеличивающегося с возрастом сопротивления и подходили только для использования на низких частотах. Как селеновые, так и медные выпрямители имеют несколько лучшую устойчивость к кратковременным скачкам напряжения, чем кремниевые выпрямители.

Обычно эти выпрямители состояли из стопок металлических пластин или шайб, скрепленных вместе центральным болтом, при этом 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 трубки мог иметь десятки стопок пластин. Плотность тока в охлаждаемом воздухом селеновом стопке составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

Кремниевые и германиевые диоды

Разнообразие кремниевых диодов с различными номиналами 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 их существенно более низкому прямому напряжению (0,3 В против 0,7 В для кремниевых диодов) германиевые диоды имеют неотъемлемое преимущество перед кремниевыми диодами в низковольтных цепях.

Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новейшие преобразователи напряжения на основе кремния

В мощных устройствах с 1975 по 2000 год большинство ртутных дуговых выпрямителей были заменены пакетами очень мощных тиристоров — кремниевых приборов с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В приложениях передачи средней мощности еще более сложные и усовершенствованные системы кремниевых полупроводниковых выпрямителей с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с затвором-замком (GTO) , сделали экономичными небольшие системы передачи постоянного тока высокого напряжения. Все эти устройства функционируют как выпрямители.

По состоянию на 2009 год ^[update]ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующие переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называемый интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут масштабироваться по номинальной мощности до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые тиристорные системы выпрямления переменного тока для приложений постоянного тока с самой высокой передачей мощности. ^[23]

Активный выпрямитель

Активное выпрямление — это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы , обычно мощные полевые МОП-транзисторы или мощные биполярные плоскостные транзисторы . ^[24] В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольта, активные выпрямители ведут себя как сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Исторически сложилось так, что переключатели с вибрационным приводом или коллекторы с моторным приводом также использовались для механических выпрямителей и синхронного выпрямления. ^[25]

Активное выпрямление имеет множество применений. Оно часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затенением, обеспечивая при этом минимальные потери мощности.

Текущие исследования

Основная область исследований — разработка высокочастотных выпрямителей, которые могут преобразовываться в терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются в оптическом гетеродинном детектировании , которое имеет множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах . Другим перспективным применением таких устройств является прямое выпрямление световых волн, принимаемых крошечными антеннами , называемыми нантеннами , для производства электроэнергии постоянного тока. ^[26] Считается, что массивы антенн могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии , чем солнечные элементы .

Смежная область исследований — разработка меньших выпрямителей, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза. Исследовательские проекты пытаются разработать мономолекулярный выпрямитель , отдельную органическую молекулу , которая будет функционировать как выпрямитель.

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме выпрямители .

Адаптер переменного тока
Карл Фердинанд Браун (точечный выпрямитель, 1874)
Прецизионный выпрямитель
Выпрямитель
Венский выпрямитель
Варшавский выпрямитель

Ссылки

^ Моррис, Питер Робин (1990). История мировой полупроводниковой промышленности. стр. 18. ISBN 978-0-86341-227-1.
^ Душман, С. (1915). «Новое устройство для выпрямления переменного тока высокого напряжения — кенотрон» General Electric Review, стр. 156–167. Получено в ноябре 2021 г.
^ Dushman, S. (1915). Электрическое разрядное устройство. Патент США 1,287,265. Получено в ноябре 2021 г.
^ Ландер, Сирил В. (1993). "2. Выпрямительные схемы". Силовая электроника (3-е изд.). Лондон: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-707714-3.
^ Уильямс, Б. В. (1992). "Глава 11". Силовая электроника: устройства, драйверы и приложения (2-е изд.). Basingstoke: Macmillan. ISBN 978-0-333-57351-8.
^ Хендрик Риссик (1941). Ртутно-дуговые преобразователи тока [sic]: введение в теорию и практику пародуговых разрядных устройств и в изучение явлений выпрямления. Sir I. Pitman & sons, ltd.
^ Кимбарк, Эдвард Уилсон (1971). Передача постоянного тока (4-е изд.). Нью-Йорк: Wiley-Interscience. С. 508. ISBN 978-0-471-47580-4.
^ Венди Миддлтон, Мак Э. Ван Валкенбург (редакторы), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и коммуникации , стр. 14. 13, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9 .
^ Рашид, Мухаммад (13 января 2011 г.). СПРАВОЧНИК ПО СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ. Elsevier. стр. 153. ISBN 9780123820372.
^ Атул П.Годсе; У.А. Бакши (1 января 2008 г.). Элементы электронной инженерии. Технические публикации. стр. 8. ISBN 9788184312928.
^ Синклер, Ян Робертсон (1987). «Ректификация». Электроника для электриков и инженеров (иллюстрированное издание). Industrial Press Inc. стр. 151. ISBN 978-0-83111000-0. Получено 23 июня 2022 г. .
^ Смит, Эдвард Х. (2013). "2.3.17. Источники питания". Справочник инженера-механика (расширенное 12-е изд.). Butterworth-Heinemann . стр. 2/42. ISBN 978-1-48310257-3. Получено 23 июня 2022 г. .
^ Картрайт, Кеннет; Камински, Эдит (2017). «Новые уравнения для емкости и пульсации в источниках питания» (PDF) . Latin American Journal of Physics Education . 11 (1): 1301–01 1301–11.
^ HP Westman et al., (ред.), Справочные данные для радиоинженеров, пятое издание , 1968, Howard W. Sams, стр. 12-14, 12-15, 12-16
^ Мэнселл, А.Д.; Шен, Дж. (1 января 1994 г.). «Импульсные преобразователи в тяговых приложениях». Power Engineering Journal . 8 (4): 183. doi :10.1049/pe:19940407.
^ Хокинс, Неемия (1914). "54. Выпрямители". Справочник Хокинса по электрике: Принципы электричества, магнетизм, индукция, эксперименты, динамо . Нью-Йорк: Т. Одель.
^ "Как сделать электролитический выпрямитель". Chestofbooks.com . Получено 15 марта 2012 г. .
↑ Патент США 1671970, Гленн В. Карпентер, «Жидкостный выпрямитель», выдан 05.06.1928
^ Американское техническое общество (1920). Энциклопедия прикладного электричества. Т. 2. Американское техническое общество. С. 487.
^ Фотографии ртутно-дугового выпрямителя в работе можно увидеть здесь: Belsize Park deep shelter rectifier 1, Belsize Park deep shelter rectifier 2
^ Суд, Виджай К (31 мая 2004 г.). Контроллеры HVDC и FACTS: применение статических преобразователей в энергосистемах. Springer-Verlag . стр. 1. ISBN 978-1-4020-7890-3. Первые 25 лет передачи HVDC поддерживались преобразователями с ртутными дуговыми вентилями до середины 1970-х годов. Следующие 25 лет до 2000 года поддерживались преобразователями с линейной коммутацией, использующими тиристорные вентили. Прогнозируется, что в следующие 25 лет будут доминировать преобразователи с принудительной коммутацией [4]. Первоначально эта новая эра принудительной коммутации началась с преобразователей с конденсаторной коммутацией (CCC), которые в конечном итоге были заменены преобразователями с самокоммутацией из-за экономической доступности мощных коммутационных устройств с их превосходными характеристиками.
^ HP Westman et al., (ред.), Справочные данные для радиоинженеров, пятое издание , 1968, Howard W. Sams and Co., без ISBN, карточка Библиотеки Конгресса № 43-14665, глава 13
^ Арриллага, Джос; Лю, Юнхэ Х; Уотсон, Невилл Р; Мюррей, Николас Дж (12 января 2010 г.). Самокоммутирующие преобразователи для приложений высокой мощности . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-68212-8.
^ Али Эмади (2009). Интегрированные силовые электронные преобразователи и цифровое управление. CRC Press. С. 145–146. ISBN 978-1-4398-0069-0.
^ Морис Агнус Уден (1907). Стандартные многофазные аппараты и системы (5-е изд.). Ван Ностранд. стр. 236. синхронный выпрямитель-коммутатор.
^ Национальная лаборатория Айдахо (2007). "Сбор солнечной энергии с помощью антенн" . Получено 3 октября 2008 г.