Наши жилища по электрической сети снабжаются переменным током.
Я расскажу о нескольких способах выпрямления электрического тока и о схемах, применяемых для этого.
Вспомним, что это такое - переменный ток.
Это ток, меняющийся не только по величине, но и по направлению, поэтому, одно из направлений переменного тока в цепи условно считают положительным, а другое, противоположное ему, условно отрицательным, а знак его определяется тем, в каком направлении в данный момент протекает ток в цепи — в положительном или отрицательном направлении.
Мгновенным значением переменного тока называется величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени.
Амплитудой переменного тока называется максимальное мгновенное значение тока, которого он достигает в процессе своего изменения.
График зависимости переменного тока от времени называется развёрнутой диаграммой переменного тока.
Если сложить все положительные и отрицательные мгновенные значения переменного синусоидального тока за период, то их сумма будет равна нулю. Но тогда и среднее значение этого тока за период также равно нулю:
Среднее значение синусоидального тока за период не может служить для измерения этого тока.
Поэтому, чтобы судить о величине переменного синусоидального тока, переменный ток сравнивают с постоянным током по их тепловому действию.
Действующее значение переменного синусоидального тока численно равно значению такого постоянного тока, при котором в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени ими выделяется одинаковое количество тепла.
Экспериментально получено и теоретически подтверждено, что действующее значение переменного синусоидального тока в 1,4 раза меньше амплитуды этого тока.
Амперметр электромагнитной системы, включенный в цепь переменного синусоидального тока, показывает действующее значение тока.
Большинство наших портативных устройств питаются постоянным током. А получают его «выпрямив» тем или иным способом переменный ток.
Вот именно о способах выпрямления электрического тока я и расскажу в этой статье.
Выпрямитель электрического тока – это устройство, предназначенное для преобразования входного электрического переменного тока в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток). Большинство выпрямителей создаёт пульсирующий ток, а для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Существует несколько схематических решений выпрямителей:
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток диода. На выходе — пульсирующий постоянный ток. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через диод на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды диод закрыт, и на нём происходит всё падение напряжения, а напряжение на нагрузке - равно нулю. Значение действующего напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя будет в √2 раз меньше подведенного действующего, а потребляемая нагрузкой мощность в 2 раза меньше.
Конденсатор C1 заряжается до амплитуды входного напряжения во время отрицательного полупериода входного переменного напряжения. Его правый вывод соединен с общим проводом через открытый диод D1. Его левый вывод заряжается отрицательным пиком входного переменного напряжения.
Во время положительного полупериода начинает работать однополупериодный выпрямитель на диоде D2. Диод D1 закрыт. Конденсатор С1 теперь последовательно соединен с источником напряжения. Полярности источника напряжения и конденсатора C1 направлены в одну сторону и - складываются. Таким образом, выпрямитель D2 видит суммарное напряжение на пике синусоиды, от источника напряжения плюс от конденсатора C1. D2 проводит сигнал, заряжая конденсатор C2 до пика синусоиды, смещенной на напряжение на конденсаторе С1, то есть, до удвоенного уровня источника напряжения.
Диоды должны выдерживать обратное трехкратное напряжение от выходного напряжения. Емкость С2 в 2 раза больше емкости С1.
На двух диодах и двух конденсаторах, известна так же, как «схема с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура — Делона — Гренашера». При положительной полуволне входного напряжения работает выпрямитель на диоде D1, заряжая конденсатор C1, а при отрицательной полуволне — выпрямитель на диоде D2, заряжающий конденсатор C2. В результате и C1, и C2 заряжаются до уровня входного напряжения, а при их последовательном включении суммарное напряжение равно удвоенному входному. Отличие схемы от предыдущей, в пониженном выходном сопротивлении. Однако выходные конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в 1.5 раза выше, чем напряжение на выходе!
Выпрямитель на четырёх диодах, известный так же, как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем. Среднее напряжение вдвое больше, чем в четвертьмостовом. Частота пульсаций равна удвоенной частоте сети.
При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим ёмкостным фильтром – с конденсатором, нужно помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,4 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, при отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному - то есть, в 1,4 раза БОЛЬШЕ!
В мостовой схеме ток нагрузки протекает через два последовательно соединённых диода, в однополупериодной — через один.
В 1901 году профессор Владимир Фёдорович Миткевич предложил выпрямитель «два четвертьмоста параллельно», известный так же, как «двухполупериодный со средней точкой». В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Во время одного полупериода ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один диод, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой диод. Частота пульсаций равна удвоенной частоте.
Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом. Выпрямитель применялся, тогда, когда медь была дешевле диодов.
Выпрямители с умножением напряжения применяются в тех случаях, когда по каким-то причинам входное переменное напряжение должно быть ниже, чем выходное постоянное.
В 1901 году Поль Ульрих Виллард (Paul Ulrich Villard) предложил схему выпрямителя, которая состоит из конденсатора, включенного последовательно с обмоткой трансформатора и диода, включенного параллельно нагрузке. Во время отрицательного полупериода ток течёт по цепи: «источник переменного тока — конденсатор — диод», конденсатор заряжается. Во время положительного полупериода – диод закрыт и заряженный конденсатор включается последовательно с трансформатором, напряжения на них складываются.
Схема этого выпрямителя предложена в 1914 году швейцарским физиком Генрихом Грайнахером. Этот выпрямитель имеет 2 диода. Принцип действия тот же, что и у выпрямителя Вилларда. Такая схема часто используется в качестве амплитудного детектора в радиоприёмниках.
Мостовой удвоитель напряжения Делона напоминает мост Гретца, но в отличие от него в одном из плеч моста вместо диодов установлены конденсаторы. За счёт этого во время каждой полуволны во входную цепь подключается то один, то другой конденсатор, а напряжение на выходе выпрямителя складывается из напряжений на двух конденсаторах.
Умножитель Кокрофта — Уолтона позволяет увеличивать выходное напряжение в несколько раз. Применяется в схемах, где необходимо получать очень высокое напряжение.
Схема умножителя была разработана в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Грайнахером. Поэтому, каскадный умножитель данного типа иногда называют умножителем Грайнахера. А в 1932 году английским физиком Джоном Кокрофтом и ирландским физиком Эрнстом Уолтоном по этой схеме был построен умножитель с целью использования в качестве высоковольтного источника напряжения в ускорителе заряженных частиц, для искусственного расщепления атомных ядер, поэтому этот умножитель напряжения называют так-же и генератором Кокрофта — Уолтона.
Напряжение на выходе этого умножителя равно напряжению на входе, умноженном на количество каскадов. Такой умножитель напряжения применяется в устройствах небольшой мощности, нетребовательных к качеству питания. Несмотря на свои недостатки и ограничения, этот умножитель напряжения стал такой же классикой в электронной схемотехнике - для получения высокого постоянного напряжения, как и диодный мост - двухполупериодный выпрямитель для получения постоянного тока из переменного.
Видео о выпрямителях и умножителях напряжения Вы можете посмотреть на моём канале YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=jsDWAMFpK2A& Приятного просмотра!
А о практическом применении этих схем я расскажу в следующий раз!
