Напоминаю, что теперь есть некая проблема с симуляцией, как её решить я написала здесь: https://dzen.ru/a/agN_UZne4hbddHZZ
Если есть какая-то механическая энергия, то её легче всего и надёжнее преобразовывать именно в переменный ток. Переменный ток так же легко трансформировать, и я уже ранее объяснила как, а после трансформации, и я это тоже объяснила, его можно передавать на большие расстояния с наименьшими потерями. После доставки электрической энергии на место, так же за счёт обратной трансформации, довольно легко получить переменное напряжение, которое можно либо использовать на предприятиях в трёхфазном виде, либо в однофазном виде в наших электрощитках и розетках. Но что дальше можно делать с таким напряжением? Ну, напрямую можно подать его на ламу накаливания с нужными параметрами, чтобы получить освещение. Правда такое прямое преобразование в световую энергию происходит с очень низким КПД. Много потерь, например, уходит в тепло. Можно так же раскрутить электродвигатель, например, в пилораме (исторически, это один из первых потребителей электроэнергии) или токарном станке, пылесосе, компрессоре холодильника. Ну, либо можно напрямую запитать нагревательный элемент в обогревателе, конфорке плиты или утюге. Вот пожалуй и всё. Когда же появились электронные устройства, ну, по началу, почти исключительно на радиолампах (полупроводники появились позже), вот здесь и понадобились выпрямители. Конечно, при помощи трансформатора, можно понизить или повысить напряжение переменного тока до определённых значений, и я это уже рассказала, но полученное напряжение так же будет переменным, а электронным устройствам нужны постоянные напряжения различной величины.
Вот здесь и появились выпрямители. Сейчас, практически все выпрямители делают на полупроводниках, а именно на диодах. Диоды должны при этом допускать большие токи в открытом состоянии и выдерживать довольно большие напряжения в закрытом состоянии. Это умеют делать диоды, которые так и называют, ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ диоды. Часто несколько диодов объединяют между собой особым образом в одном корпусе. Такую сборку диодов часто называют ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ МОСТ. Иногда все диоды диодного моста выращивают на одном полупроводниковом кристалле, который в свою очередь располагают на металлической пластине – теплоотводе. Такой теплоотвод удобно прикрутить для отвода тепла, например к ребристому алюминиевому радиатору. Это делается потому, что КПД выпрямителя тоже не 100 %, и часть энергии теряется в виде тепла. Если у выпрямителя очень мощная нагрузка (к примеру, индукционная нагревательная поверхность, или импульсный блок питания игрового компьютера), то применение теплоотводящих радиаторов для выпрямителя, отнюдь не является излишеством.
Существуют и отдельные мощные выпрямительные диоды с возможностью размещения на теплоотводящем радиаторе. Например, для сварочного аппарата.
Если величина переменного напряжения, которое необходимо выпрямить небольшая, то для выпрямления с повышенным КПД (с меньшим нагревом диодов), можно использовать специальные ДИОДЫ ШОТТКИ (Шоттки это фамилия). Эти диоды отличаются низким падением напряжения на открытом p-n переходе и возможностью выпрямлять переменные и импульсные токи, которые имеют очень высокую для выпрямительных диодов частоту. До 1 MHz (МегаГерц). Однако недостатком диодов Шоттки является прежде всего относительно небольшие обратные напряжения, которые они могут выдержать. Традиционные выпрямительные диоды, обычно не могут выпрямлять переменные токи с частотами выше 20000 Hz. Когда производитель какой-либо радиодетали разрабатывает и продаёт эту деталь, все справочные сведения про эту конкретную радиодеталь он обычно предоставляет в справочном документе, который называется Data Sheet и размещает этот документ в месте доступном для потенциальных покупателей, например, у себя на официальном сайте в интернете. В даташите выкладывается в избыточном виде вся информация, которую гарантирует производитель об этой детали. Это может быть очень полезным не только при разработке электронных приборов, но и при ремонте этих приборов. Например вам нужно найти какой-то аналог вместо вышедшего из строя диода, так как вы не нашли оригинальный в продаже или в своих запасах. Вы, прежде всего, узнаёте по даташиту оригинала параметры оригинального компонента, а потом ищете, что можно поставить взамен.
Пример даташита https://www.radioradar.net/datasheet_search/2/A/0/2A04_DiodesIncorporated.pdf.html
Простейший, так называемый ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ выпрямитель можно получить за счёт использования всего одного диода.
Здесь синей стрелкой помечено переменное напряжение, которое в данном случае прямо из розетки поступает на вход выпрямителя. Жёлтой стрелкой показано падение напряжения на резисторе нагрузки. Можно конечно входное напряжение подавать на вход такого выпрямителя и после понижения или повышения счёт работы трансформатора.
Мы уже знаем, что переменное напряжение в розетке постоянно меняется по синусоидальному закону с частотой 50 Hz. Это значит, что 50 раз за одну секунду, там возникает положительный полупериод. В этом случае, когда напряжение на аноде диода (он здесь слева) положительнее на 311,127 – 310,382 = 0,745 V, диод открывается и уже на резисторе нагрузки возникает падение напряжения, максимальное значение которого здесь 310,382 V. Когда значение положительного полупериода на аноде диода уменьшится меньше 0,745 V, диод закроется и ток через него и через нагрузку будет минимальным. Не откроется диод и когда на анод диода поступит отрицательный полупериод. Диод не допускает протекание тока в направлении противоположном стрелке на своём обозначении.
Итак, такой выпрямитель допускает протекание тока через нагрузку только в одном направлении, конкретно в момент положительного полупериода входного напряжения.
Если диод развернуть, и в параметрах осциллографа выбрать так как указано ниже, то будет следующая картина
То есть выпрямитель будет пропускать только отрицательные полупериоды, так как ток через нагрузку диода будет снизу вверх, и далее, справа налево по стрелке диода. На резисторе нагрузки будет падать напряжение в максимуме – 310,382 V . Внизу резистора будет плюс этого напряжения, так как оттуда втекает ток, а сверху будет минус этого напряжения, что и показывает виртуальный осциллограф.
В любом случае, как бы мы не развернули диод, один полупериод на его выходе обрезается, и на выход выпрямителя в этот момент энергия не попадает. Напряжение на нагрузке не будет постоянным, оно будет изменяться по величине, но не будет изменяться его полярность. Говорят, что напряжение будет пульсирующим.
Ну, уже в таком виде, можно применить кое-где такой выпрямитель.
Здесь включены две лампы накаливания с одинаковыми параметрами 220 V, 100 W. Одна из них напрямую к бытовой электросети, а вторая через диод. По прошествии некоторого времени (в симуляции оно специально замедлено), та лампа, которая включена напрямую, раскалена добела, а та которая через диод, светится вполсилы, она жёлтая. Так в СССР частенько электрики подключали лампочки в подъездах, чтобы они служили дольше и потребляли электроэнергии меньше. Ну светится в полнакала, а не надо газеты читать при таком свете! Когда полупериод отрицательный, ток через вторую лампу конечно не течёт, но она будет продолжать светиться потому, что нить накала просто не успеет остыть за это время, а светится лампа именно из-за раскалённой нити накаливания. Так что стробоскоп таким образом не получишь. А вот современные, светодиодные лампы, при неисправности управляющей электроники, вполне могут работать в режиме стробоскопа (сильно мигать с частотой, какую успевает различить человеческий глаз). В любом случае, вторая лампа (да если разобраться и первая, ведь на ней 100 раз в секунду 0 V возникает, работает как накопитель тепловой энергии. За счет чего резких морганий глаз не заметит.
Можно сделать так, чтобы напряжение на нагрузке сильно не менялось по величине. Чтобы оно меньше пульсировало. Для этого параллельно нагрузке нужно установить конденсатор как накопитель электрической энергии. Давайте сделаем это.
Что мы видим? Да, конечно, скачки напряжения на нагрузке сильно сгладились, но напряжение всё равно заметно скачет в диапазоне от 67 V до 310 V. Такие скачки трудно назвать постоянным током. Происходят скачки из-за того, что конденсатор конечно успевает заряжаться до 310 V, но тут же он начинает разряжаться через нагрузку. Пока не придёт следующий положительный полупериод, затем процесс повторяется. Чтобы доказать, что конденсатор разряжается именно через нагрузку, давайте я поиграю с сопротивлением нагрузки:
Я увеличила сопротивление нагрузки аж в 10 раз, но пульсации напряжения всё ещё заметны, и минимальное напряжение на нагрузке 259 V. А если мне нельзя уменьшать сопротивление нагрузки? Вот оно должно быть именно таким, 1000 Om? Тогда есть другой путь! Увеличивать ёмкость накопителя - конденсатора! В симуляции это очень легко сделать – давайте попробуем.
Я вернула нагрузку на 1000 Om, но ёмкость конденсатора увеличила в 10 раз, до 100 uF, и получила при этом примерно те же самые, довольно большие пульсации.
Можно конечно поставить сюда и конденсатор на 1000 uF, и конечно же пульсации напряжения на нагрузке станут ещё меньше, однако на практике такое вряд ли станут делать. Конденсатор на 1000 микрофарад в данном случае должен будет иметь довольно значительные максимально допустимые напряжения – больше 311 V. В реальности всегда берут с запасом и, скажем конденсатор на 1000 uF на 400 V будет обладать значительными размерами и стоимостью. Можно конечно, для уменьшения размеров в данную цепь поставить электролитический конденсатор, так как в этой цепи полярность напряжения не меняется, но, даже и это не является слишком разумным.
Есть и другие способы уменьшить пульсации напряжения. Однако сначала подумаем, а нужно ли нам столь большое по величине постоянное напряжение, порядка 300 V? Гораздо чаще в электронной аппаратуре нужны напряжения с меньшими величинами. А там и конденсаторы будут нужны совсем с другими максимальными напряжениями, более распространённые и более дешёвые. Да и гальваническая рзвязка с фазным напряжением в реальной аппаратуре вовсе не будет лишней.
Итак, с помощью трансформатора с коэффициентом трансформации 10 - красной стрелкой я указала, где я его настроила, получила переменное напряжение в 10 раз меньшее. Оранжевая с стрелка показывает соответствующую осциллограмму, которую я назвала как “напряжение на нагрузке”. Для возможности снимать такую осциллограмму, я ввела заземление в схему (синяя стрелка). Осциллограф в данной симуляции работает только относительно заземления. На реальных осциллографах есть проводок с крокодильчиком. Куда этот крокодильчик прицепишь, относительно этой точки и можно снимать осциллограмму.
Итак, организуем наш выпрямитель в данной схеме.
Здесь Напряжение на нагрузке при конденсаторе 10 uF будет скакать от 6,6 V до 30,5 V , то есть величина пульсаций почти в 24 V. Если поставить конденсатор на 1000 uF, то пульсации уменьшатся до 30,517 V - 29,943 V = 0,574 V
Нуу, это уже гораздо больше похоже на источник постоянного напряжения. А можно ли ещё больше уменьшить пульсации? Конечно! Во первых надо поставить более сложный ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ выпрямитель. Самый распространённый вариант такого выпрямителя, это вышеупомянутый ДИОДНЫЙ МОСТ.
Здесь диодный мост представлен в его традиционном виде. В виде правильного ромба со строго определённым расположением четырёх диодов. Конечно, можно нарисовать и по другому. На вертикальную диагональ ромба поступает переменное напряжение, а с горизонтальной диагонали снимается выпрямленное напряжение. Справа его плюс, слева минус. Нижняя осциллограмма показывает, как без конденсатора будет выглядеть напряжение на выходе такого выпрямителя и, если сравнивать его с переменным напряжением в розетке, то видно, что одинаковые выходные импульсы на выходе двухполупериодного выпрямителя возникают как при положительном полупериоде напряжения в розетке, так и при отрицательном. Отрицательный полупериод как бы разворачивается, выпрямляется в нужную сторону, и уже нет такого долгого провала напряжения на нагрузке, как это происходит при использовании однополупериодного выпрямителя. Когда на вертикальную диагональ диодного моста поступает положительный полупериод, то есть плюс напряжения сверху и минус снизу, Открываются правый верхний диод и левый нижний два других диода запираются. Когда отрицательный полупериод, и минус сверху, а плюс снизу, открытые и закрытые пары диодов меняются местами. В любом случае, ток через нагрузку будет протекать сверху вниз. В симуляции это легко увидеть в замедленном виде.
Приведу пути протекания тока при положительном и отрицательном полупериодах переменного тока.
Здесь коричневой линией представлен ток в момент положительного полупериода, и синей линией в момент отрицательного. Видно, что через нагрузку токи в любом варианте текут сверху вниз. Соответственно возникают и падения напряжения на нагрузке – плюс сверху, минус снизу.
А теперь давайте введём конденсатор на 1000 uF в схему, и почувствуем разницу в размере пульсаций.
Здесь уже пульсации 29,646 V – 29,382 V = 0,264 V. Больше чем в два раза уменбшились пульсации. Да и линия напряжения на нижней осциллограмме уже больше выглядит как постоянное напряжение. Правда на диодах здесь потери в виде падения напряжения так же удваиваются, а потому максимальное напряжение несколько меньше. И нагрев диодов так же удваивается. Можно ли ещё больше уменьшить пульсации? Да, для этого надо усложнить систему фильтрации и / или включить в схему стабилизатор напряжении либо тока, но это уже совсем другая история.
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru