Назначение выпрямителя: Выпрямители

Назначение и классификация выпрямителей. Основные параметры выпрямителей.

Выпрямитель — статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии (сети) в постоянный. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 1).

Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя. 

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

*средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср,

*частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),

*коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению,

*внешняя характеристика — зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,

*к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф — мощность потреь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей — нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении.

В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам, к которым относятся:

*наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх — предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупернодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения),

*наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх

 — обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя,

*прямое падение напряжения Uпр — среднее значение прямого напряжения в однополупернодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе.

*обратный ток Iобр — значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения,

*максимальная мощность Рmах — максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем.

Схемы выпрямления

Наиболее распространенные схемы выпрямления показаны на рисунках, где приняты следующие обозначения: mс — число фаз напряжения сети, m1 — число фаз напряжения на входе схемы выпрямления (на выходе трансформатора), m = fп / fc — коэффициент, равный отношению частоты пульсации выходного напряжения к частоте напряжения сети. В качестве вентилей везде изображены

полупроводниковые диоды.

Самые распространенные схемы выпрямления и формы выходного напряжения при работе на активную нагрузку:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (mc=1, m1=1, m=1)

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (мостовая схема выпрямленияmc=1, m1=1, m=2)

 

Однофазная схема выпрямления с выводом средней точки (mc=1, m1=2, m=2)

 

Трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали (mc=3, m1=3, m=3)

Трехфазная мостовая схема выпрямления (mc=3, m1=3, m=6)

Основные соотношения для схем выпрямления при работе на активную нагрузку Rнв предположении идеальности трансформатора и вентилей приведены в таблице:

Что такое сварочный выпрямитель, как он устроен и работает?

Сварочные выпрямители – устройства, назначением которых является преобразование переменного тока в постоянный, что необходимо при работе со средне- и высокоуглеродистыми марками стали, чугуном, цветными металлами и сплавами. Сварка на постоянном токе облегчает формирование аккуратных швов, снижает разбрызгивание металла, повышает прочность сварного соединения.

Конструкционные особенности и принцип действия полупроводниковых сварочных выпрямителей

Конструкция выпрямителя в классическом варианте включает следующие компоненты:

• Диодные мосты. Диоды в сварочных выпрямителях собирают по мостовым схемам – одно- или трехфазной. Востребована трехфазная схема, обеспечивающая стабильность сварочной дуги, она подходит для элементов различной толщины, позволяет осуществлять не только сварку, но и резку. Для резки устанавливают высокое значение силы тока.
• Понижающий трансформатор. На этом устройстве происходит уменьшение напряжения и повышение силы тока.
• Охлаждающая система. Обычно это вентилятор, обеспечивающий постоянный воздушный поток к полупроводниковым элементам, которые нагреваются во время работы. В некоторых аппаратах устанавливают датчики перегрева.
• Датчики контроля напряжения. При напряжении питания, превышающем предельное значение, датчики подают сигнал автомату на отключение.
• Пусковая и измерительная аппаратура.
• Регуляторы, позволяющие установить значения тока в соответствии с толщиной свариваемого металла.

Принцип работы сварочного выпрямителя

• Ток из электросети или от электрогенератора попадает на первичную обмотку понижающего трансформатора.
• На вторичную обмотку поступает ток пониженного напряжения и повышенной силы.
• Ток пониженного напряжения поступает на выпрямительные диодные мосты. Полупроводниковые элементы открывают ток в одном направлении, и закрывают – в противоположном. Производители чаще всего используют селеновые и кремниевые полупроводники. Селеновые элементы стоят недорого и способны выдерживать значительные перегрузки, кремниевые обеспечивают высокий КПД, но плохо переносят перегрузки.

Виды регулирования силы тока на выходе:

• Ступенчатая регулировка – наиболее часто встречающийся вариант. Разные модели могут иметь разный шаг, но в любом варианте такая настройка является грубой.
• Тонкая настройка. Осуществляется методом дроссельного насыщения. Дроссель (комплекс из нескольких катушек) устанавливается между диодами и трансформатором.
• Точная регулировка с использованием тиристорного блока.

Точность регулировки напрямую влияет на удобство проведения работ и качество полученного результата.

Разновидности выпрямительных устройств

В зависимости от внешних характеристик, различают три типа сварочных выпрямителей:

• Крутопадающие внешние характеристики. Такие аппараты востребованы для ручной дуговой сварки и для работы с неплавящимся электродом в среде защитных газов. В устройство выпрямителей входит понижающий трансформатор с высоким рассеиванием магнитного поля. Сварочный ток настраивается путем корректировки дистанции между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
• Жесткие внешние характеристики. Выпрямители этого типа используются для сварочных работ с плавящимся электродом в углекислом газе или другой защитной газовой среде, под флюсом, с использованием порошковой проволоки.
• Универсальные. Такие устройства позволяют получать падающие и жесткие внешние характеристики. Поэтому они подходят для широкого перечня сварочных процессов – ручных и автоматизированных, плавящимися и неплавящимися электродами, в газовых средах, под флюсом. В конструкцию входят понижающий трансформатор и дроссели насыщения.

Сварочные выпрямители на диодных мостах с различными техническими характеристиками дают возможность сваривать металлические элементы толщиной от 1 до 50 мм. Они удобны в работе и обслуживании, просты в настройке, мобильны. К недостаткам можно отнести слабую устойчивость к перепадам напряжения питающего тока и длительным коротким замыканиям.

Выпрямительный диод: назначение и схема

Выпрямительный диод представляет собой полупроводниковое устройство, используемое для преобразования переменного тока в постоянный. Он имеет очевидную однонаправленную проводимость и может быть изготовлен из таких материалов, как полупроводниковый германий или кремний. Эта статья дает вам краткое введение в выпрямительные диоды.

Каталог

 

I Выбор выпрямительного диода

Выпрямительные диоды обычно представляют собой планарные кремниевые диоды , которые используются в различных схемах силовых выпрямителей.

При выборе выпрямительного диода следует учитывать такие параметры, как максимальный ток выпрямителя, максимальный обратный рабочий ток, частота среза и время обратного восстановления.

Выпрямительный диод, используемый в схеме последовательного стабилизированного питания, не предъявляет высоких требований к обратному времени восстановления частоты среза. Если максимальный ток выпрямления и максимальный обратный рабочий ток соответствуют требованиям схемы, выбирается выпрямительный диод. Например, серия 1N, серия 2CZ, серия RLR и т. д.

Рис. 1. Выпрямительный диод 2CZ

В выпрямительной схеме и импульсной выпрямительной схеме импульсного стабилизированного источника питания выпрямительный диод должен иметь более высокую рабочую частоту и меньшее время обратного восстановления (типа RU серия, серия EU, серия V, серия 1SR и т. д.). Или мы можем выбрать диод с быстрым восстановлением или выпрямительный диод Шоттки.

II Параметры выпрямительного диода

1. Максимум a verage r ectified c urrent IF : максимальный прямой средний ток, протекающий при длительной работе.

Ток определяется площадью перехода и условиями рассеивания тепла PN-перехода. Средний ток через диод не может быть больше этого значения и должен удовлетворять условиям отвода тепла. Например, ПЧ выпрямленного последовательного диода 1N4000 составляет 1А.

2. Максимальное рабочее r обратное v oltage VR : максимально допустимое обратное напряжение на диоде. Если это значение будет превышено, обратный ток (IR) резко возрастет и однонаправленная проводимость диода будет нарушена, что приведет к обратному пробою.

Обычно за (VR) принимают половину обратного напряжения пробоя (VB). Например:

9007 1

ВР

Параметр	1N4001	1N4002	1N4003	1N400 4	1N4005	1N4006	1N4007
50В	100 В	200 В	400 В	600 В	800 В	1000 В

3.   Максимальный обратный ток IR : обратный ток, протекающий через диод при максимальном обратном рабочем напряжении. Этот параметр отражает однонаправленную проводимость диода. Следовательно, чем меньше значение тока, тем лучше качество диода.

4. Напряжение пробоя VB : значение выпрямительного напряжения в точке резкого изгиба обратной вольт-амперной характеристики диода. Когда реверс является мягкой характеристикой, он относится к значению напряжения при заданном обратном токе утечки.

5.   Максимальная рабочая частота fm : максимальная рабочая частота диода при нормальных условиях. Это в основном определяется емкостью перехода и диффузионной емкостью PN-перехода. Если рабочая частота превышает fm, однонаправленная проводимость диода не будет хорошо отражаться.

Например, fm диода серии 1N4000 составляет 3 кГц. Также быстровосстанавливающиеся диоды используются для выпрямления высокочастотных переменных токов, например, в импульсных источниках питания.

6. Время обратного восстановления trr : относится к времени обратного восстановления при указанной нагрузке, прямом токе и максимальном обратном переходном напряжении.

7. Емкость нулевого смещения ance  CO : сумма диффузионной емкости и емкости перехода, когда напряжение на диоде равно нулю.

Из-за ограничения технологического процесса даже для однотипных диодов их параметры имеют большой разброс. Параметры, указанные в руководстве, часто находятся в пределах допустимого диапазона. При изменении условий испытаний соответствующие параметры также изменятся.

Например, IR кремниевого выпрямительного диода серии 1N5200 с пластмассовым корпусом при 25°C составляет менее 10 мкА, а при 100°C становится менее 500 мкА.

III Причина повреждения

1. Неадекватная защита от молнии и перенапряжения . Даже если есть устройства молниезащиты и защиты от перенапряжения, при ненадежной работе диод выпрямителя выходит из строя из-за ударов молнии или перенапряжения.

2. Плохие условия эксплуатации.  В генераторной установке непрямого действия из-за неправильного расчета передаточного числа или соотношения диаметров двух ременных шкивов не соответствует требованиям передаточного числа, генератор работает на высокой скорости в течение длительного времени. Также выпрямитель длительное время работает при повышенном напряжении, ускоряя старение и вызывая поломку.

3. Плохое управление операциями . Операторы безответственны и не понимают изменения внешней нагрузки (особенно между полуночью и 6 утра следующего дня). Или на улице неисправность нагрузки, и оператор вовремя не принял меры. Это вызовет перенапряжение, а выпрямительный диод выйдет из строя и повредится.

4.   Неправильная установка или изготовление . Поскольку генераторная установка долгое время работала в условиях сильной вибрации, выпрямительный диод также подвергается этим помехам. Кроме того, генераторная установка работает неравномерно, поэтому рабочее напряжение выпрямительного диода также колеблется. Это значительно ускоряет старение и выход из строя выпрямительного диода.

5.   Неправильные характеристики и модели диодов . Если параметры замененного выпрямительного диода не соответствуют требованиям, или проводка выполнена неправильно, выпрямительный диод выйдет из строя и выйдет из строя.

6. Запас прочности выпрямительного диода слишком мал . Запас прочности по перенапряжению и перегрузке по току выпрямительного диода слишком мал, поэтому он не может выдержать пиковую атаку в цепи возбуждения.

IV Что делает выпрямитель?

Выпрямительный диод имеет очевидную однонаправленную проводимость. Он может быть изготовлен из таких материалов, как , полупроводник, , германий или кремний. Функция выпрямительного диода заключается в использовании однонаправленной проводимости PN-перехода для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. Итак, каковы основные функции выпрямительного диода? Ниже приводится подробное введение:

1. Прямая характеристика

Наиболее заметной особенностью выпрямительного диода является его прямое направление. Когда прямое напряжение подается на выпрямительный диод, начальная часть прямого напряжения очень мала, и оно не может эффективно преодолеть блокирующий эффект электрического поля в PN-переходе.

Когда прямой ток почти равен нулю, прямое напряжение не может проводить диод, что называется напряжением мертвой зоны .

Когда прямое напряжение превышает напряжение мертвой зоны, электрическое поле эффективно преодолевается, диод выпрямителя включается, и ток быстро растет по мере увеличения напряжения. В нормальном диапазоне токов напряжение на клеммах выпрямительного диода остается практически неизменным при его включении.

Рис. 2. Прямая и обратная характеристики выпрямителя

2. Обратная характеристика диапазон, обратный ток формируется за счет дрейфа из числа миноритарных перевозчиков. Поскольку обратный ток очень мал, диод выпрямителя находится в выключенном состоянии.

На обратный ток насыщения выпрямительного диода влияет температура. Как правило, обратный ток кремниевых выпрямительных диодов намного меньше, чем у германиевых выпрямительных диодов. Обратный ток насыщения маломощных кремниевых выпрямительных диодов порядка нА, а маломощных германиевых выпрямительных диодов порядка мкА.

При повышении температуры выпрямительного диода полупроводник возбуждается, и количество неосновных носителей увеличивается.

3. Обратный пробой

Обратный пробой выпрямительного диода делится на два типа: стабилитрон и лавинный пробой .

При высокой концентрации легирования из-за малой ширины барьерной области обратное напряжение разрушит структуру ковалентной связи, поэтому электроны будут отрываться от ковалентной связи, и будут генерироваться электронные дырки. Это называется пробой Зенера.

Еще один вид поломки – лавинный. По мере увеличения обратного напряжения выпрямительного диода внешнее электрическое поле будет увеличивать скорость дрейфа электронов, поэтому валентные электроны будут сталкиваться друг с другом вне ковалентной связи, создавая новые электронно-дырочные пары.

Рисунок 3. Пробой стабилитрона и лавинный пробой

В Что такое схема выпрямителя?

Схема выпрямителя относится к преобразованию переменного тока в постоянный. Как правило, он состоит из трансформатора, основной цепи выпрямителя и схемы фильтра. Если вы хотите получить постоянное значение напряжения, вам нужно добавить схему регулятора напряжения. Здесь мы будем говорить только о схеме главного выпрямителя.

1. Схема однополупериодного выпрямителя    

Структура этой схемы однополупериодного выпрямителя очень проста. Основным компонентом является диод, как показано на схеме ниже.

Рис. 4. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя

Входное напряжение 220 В представляет собой синусоидальный переменный ток. Он проходит через трансформатор и уменьшается после трансформатора, но в конце концов это все еще синусоидальный сигнал переменного тока.

Типичным свойством диодов является однонаправленная проводимость . Если напряжение анода диода больше, чем напряжение катода диода, диод будет включен. В обратной ситуации диод будет выключен.

Этот процесс показан на следующем рисунке. На рисунке а показан выход переменного тока трансформатора. Когда выходное напряжение находится в положительном полупериоде, напряжение в точке a выше, чем напряжение в точке b, и диод будет включен. А напряжение на нагрузке RL примерно равно выходному напряжению трансформатора.

Когда выходное напряжение находится в отрицательном полупериоде, напряжение в точке b выше, чем напряжение в точке a, тогда диод отключается. Соответствующий ток не может протекать в нагрузку, поэтому на рисунке б отсутствует половина цикла.

Рисунок 5. Схема однополупериодного выпрямителя Форма волны  до и после фильтрации ifier Circuit

Поскольку полупериод теряется при однополупериодном выпрямлении, эффективность ограничена. Двухполупериодный мостовой выпрямитель может решить эту проблему.

По сравнению с однополупериодным выпрямлением, двухполупериодное выпрямление использует на один диод больше. Однако трансформатор здесь с центральной осью , в которой используется однонаправленная проводимость диода.

Рис. 6. Схема двухполупериодного выпрямителя

Проанализируем этот принцип. Если переменный ток находится в положительном полупериоде, напряжение в точке а выше, чем напряжение в точке b, то диод D1 будет включен, а диод D2 закроется. Таким образом, ток будет течь только из точки а, через диод D1 и резистор RL и, наконец, к центральной оси трансформатора.

Если переменный ток находится в отрицательном полупериоде, напряжение в точке b выше, чем напряжение в точке a, диод D2 включится, а диод D1 отключится. Таким образом, ток будет течь только из точки b и через диод D2 и резистор RL, наконец, к центральной оси трансформатора.

Повторение этих циклов обеспечивает фильтрацию. На следующем рисунке показана форма волны до и после фильтрации.

Рис. 7. Форма сигнала двухполупериодного выпрямителя до и после фильтрации

3. Схема мостового выпрямителя

Схема мостового выпрямителя сложнее двух предыдущих. Схематическая диаграмма выглядит следующим образом. Схема простого мостового выпрямителя состоит из трансформатора   и главного выпрямительного моста , а также нагрузки .

Рисунок 8 . Мост Схема выпрямителя -1

Если выходной сигнал переменного тока находится в положительном полупериоде, при нормальных условиях ток течет к точке A, обращенной к диоду 2 и диоду 1.

Рис. 9. Принципиальная схема мостового выпрямителя-2

Однако из-за высокого напряжения в точке A диод 1 находится в выключенном состоянии, а диод 2 — во включенном. Таким образом, ток будет течь через диод 2, затем вытекать из точки B и затем достигать точки D через нагрузку.

Рисунок 10 . Мост Схема цепи выпрямителя — 3

На первый взгляд, и диод 1, и диод 4 могут быть включены, но ток течет из точки А в выпрямительный мост и далее через нагрузку. Напряжение будет уменьшаться после прохождения тока через нагрузку, поэтому напряжение в точке D намного ниже, чем напряжение в точке A, и диод 4 включен, а диод 1 выключен. Наконец, ток течет в нижний конец трансформатора.

Рисунок 11. Принципиальная схема мостового выпрямителя-4

Когда напряжение на нижнем конце выше, чем напряжение на верхнем конце, ток достигает точки C.

Рис. Принципиальная схема мостового выпрямителя — 5

Кроме того, поскольку напряжение в точке C высокое, диод 4 находится в выключенном состоянии, а диод 3 — во включенном состоянии. Ток будет течь через диод 3 из точки В, а затем доходить до точки D через нагрузку.

Рис. 13. Принципиальная схема мостового выпрямителя-6

Подобно положительному полупериоду, на первый взгляд, диод 1 и диод 4 могут быть включены. Но поскольку ток течет из точки C в выпрямительный мост, а затем через нагрузку, напряжение в точке D намного ниже, чем в точке C, поэтому диод 1 включен, а диод 4 выключен. Наконец, ток течет в верхнюю часть трансформатора.

Рис. 14. Принципиальная схема мостового выпрямителя-7

Преимущества мостового выпрямления

По сравнению с двухполупериодным выпрямлением мостовое выпрямление имеет много преимуществ.

Для двухполупериодного выпрямления требуется трансформатор с центральной осью, а для мостового выпрямления это требование отсутствует.

Когда диод находится в выключенном состоянии, напряжение на двух концах диода мостового выпрямителя меньше половины напряжения двухполупериодного выпрямления. Таким образом, требования к характеристикам мостового выпрямительного диода не так высоки.

VI Замена выпрямительного диода  и Осмотр

1. Замена

После повреждения выпрямительного диода его можно заменить на такой же выпрямительный диод модели или другой модели с такими же параметрами.

Как правило, выпрямительные диоды с высоким  выдерживаемым напряжением (обратным напряжением) могут заменить выпрямительные диоды с низким  выдерживаемым напряжением. А выпрямительные диоды с низким выдерживаемым напряжением не могут заменить диоды с высоким выдерживаемым напряжением.

Диод с большим током выпрямления может заменить диод с малым током выпрямления, а диод с малым током выпрямления не может заменить диод с большим током выпрямления.

2. Как проверить мостовой выпрямитель

(1)  Удалите все выпрямительные диоды в выпрямителе.

(2)  Используйте мультиметр в диапазоне 100×R или 1000×R Ом для измерения двух проводов выпрямительного диода. Затем поменяйте местами голову и хвост и повторите попытку.

(3)  Если значение сопротивления, измеренное дважды, имеет большую разницу, это означает, что диод исправен (кроме диодов с мягким пробоем).

Если значение сопротивления, измеренное дважды, мало и почти одинаково, это означает, что диод вышел из строя и не может быть использован.

Если значение сопротивления, измеренное дважды, равно бесконечности, это означает, что диод внутренне отключен и его нельзя использовать.

 

Рекомендуемые артикулы:

Как работает фотодиод?

Что такое лавинные диоды?

Что такое лазерные диоды?

Выпрямитель общего назначения

Продукт

Выпрямитель общего назначения

Описание

Выпрямитель общего назначения

пропускает электрический ток только в одном направлении и в основном используется для питания.