Что такое выпрямитель и зачем он нужен

Выпрямитель - устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Сеть дает синусоидальное напряжение 230 В частотой 50 Гц, а микросхемам, аккумуляторам, электродвигателям постоянного тока и гальваническим ваннам нужна неизменная полярность. Выпрямитель стоит в зарядном устройстве смартфона, сварочном инверторе, тяговой подстанции и блоке питания любительского усилителя.

От выбранной схемы зависят габариты трансформатора, уровень пульсаций, нагрев компонентов и стоимость конструкции. Разберем, как устроены такие преобразователи, на какие группы их делят и по каким параметрам сравнивают.

Полупроводниковые выпрямители переменного тока: принцип действия

Основа любой схемы - вентиль, то есть прибор с односторонней проводимостью. Сегодня эту роль выполняют кремниевые диоды, диоды Шоттки и тиристоры.

Диод содержит p-n переход - границу двух областей полупроводника. В p-области преобладают дырки, в n-области - свободные электроны. На стыке образуется обедненный слой с потенциальным барьером.

• Прямое смещение. Плюс источника подан на p-область. Барьер снижается, носители заряда проходят через переход, ток растет. На кремниевом диоде при этом падает 0,6–1 В, на диоде Шоттки - 0,2–0,5 В.
• Обратное смещение. Полярность меняется, обедненный слой расширяется. Через переход течет лишь ток утечки величиной в единицы микроампер.

Когда к диоду приложена синусоида, он открывается на положительной полуволне и закрывается на отрицательной. На нагрузке остаются импульсы одной полярности - пульсирующее постоянное напряжение. Сглаживают его фильтры.

Тиристор имеет четырехслойную структуру p-n-p-n и третий вывод - управляющий электрод. Прибор не откроется при прямом напряжении, пока на электрод не придет импульс. Так появляется возможность регулировать выходное напряжение.

Классификация: основные виды выпрямителей

Существующие выпрямители переменного тока, виды которых различаются схемой включения вентилей, делят по трем признакам:

• по числу фаз питающей сети - однофазные и трехфазные;
• по использованию полуволн - одно- и двухполупериодные;
• по возможности регулировки - неуправляемые и управляемые.

Рассмотрим типы выпрямителей переменного тока, которые встречаются на практике чаще остальных.

Однополупериодные схемы

Простейший однополупериодный выпрямитель переменного тока состоит из одного диода, включенного последовательно с нагрузкой. Ток проходит только в течение половины периода, вторая полуволна теряется.

Параметры схемы:

• среднее напряжение на нагрузке - 0,45 от действующего значения U2 на вторичной обмотке;
• частота пульсаций совпадает с частотой сети - 50 Гц;
• постоянная составляющая тока подмагничивает сердечник трансформатора, поэтому его берут с запасом по мощности.

Такую схему применяют при токах до десятков миллиампер: в цепях смещения, индикаторах, маломощных датчиках.

Двухполупериодные схемы

Двухполупериодный выпрямитель переменного тока использует обе полуволны. Среднее напряжение вырастает до 0,9·U2, частота пульсаций удваивается до 100 Гц, и фильтр получается в разы компактнее. Распространены два варианта.

1. Схема со средней точкой. Нужен трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки и два диода. Каждый диод работает свою полуволну, но обратное напряжение на нем достигает 2,83·U2. Вариант выгоден для низковольтных источников с большим током: в цепи открыт всего один диод.
2. Мостовая схема (мост Гретца). Четыре диода, обычная обмотка без отвода. Обратное напряжение на диоде - 1,41·U2, трансформатор используется полностью. Минус - ток проходит через два диода, поэтому потери удваиваются.

Для трехфазной сети применяют мост Ларионова из шести диодов. Он выдает 2,34 от фазного напряжения при частоте пульсаций 300 Гц и часто обходится без громоздкого фильтра.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители переменного тока строят на тиристорах. В полууправляемой схеме часть плеч моста занимают обычные диоды. Система управления открывает тиристор с задержкой относительно начала полуволны - на угол α. Чем больше угол, тем ниже среднее напряжение на выходе. В полностью управляемом мосту при непрерывном токе Ud = Ud0·cos α.

Области применения: регулируемый электропривод постоянного тока, зарядные станции для тяговых батарей, гальваника, электролиз. Недостатки - искажение формы тока сети и низкий коэффициент мощности при больших углах управления.

Главные характеристики выпрямителей

Подбирая выпрямители переменного тока, характеристики инженеры сравнивают по пяти параметрам.

• Среднее выпрямленное напряжение и ток. Определяют мощность, которую получит нагрузка. Ud рассчитывают через коэффициент схемы: 0,45, 0,9 или 2,34 от U2.
• Коэффициент пульсаций. Отношение амплитуды первой гармоники к среднему значению. Без фильтра у однополупериодной схемы он равен 1,57, у двухполупериодной - 0,67, у трехфазного моста - 0,057. Пульсации подавляют конденсаторы, LC- и П-образные фильтры, а в прецизионной аппаратуре добавляют стабилизатор.
• КПД и мощность потерь. Потери на вентиле равны произведению прямого падения напряжения на ток. При выходе 5 В и токе 10 А два кремниевых диода моста рассеивают около 15 Вт. Для низковольтных сильноточных источников выбирают диоды Шоттки или синхронное выпрямление на MOSFET.
• Обратное напряжение и допустимый прямой ток. Максимальное обратное напряжение диода берут с запасом 30–50% от расчетного, учитывая выбросы сети. При емкостном фильтре в однополупериодной схеме оно доходит до 2,83·U2. Средний прямой ток выбирают с запасом в 1,5–2 раза и отдельно проверяют ударный ток: при включении разряженный конденсатор заряжается импульсом в десятки ампер. Для мостов удобны готовые сборки - они проще в монтаже и крепятся на один радиатор.
• Частота пульсаций. Равна частоте сети, умноженной на число пульсаций за период: 50, 100 или 300 Гц. Чем она выше, тем меньше емкость и индуктивность фильтра.

Чек-лист: как выбрать схему выпрямителя

• Если вам нужно запитать нагрузку до 50 мА минимумом деталей, выбирайте однополупериодный выпрямитель тока на одном диоде.
• Если вы собираете блок питания для усилителя, зарядного устройства или лабораторного источника, выбирайте однофазный диодный мост.
• Если нужно получить до 12 В при токе от 10 А, выбирайте схему со средней точкой на диодах Шоттки.
• Если оборудование мощностью от 3 кВт питается от трехфазной сети, выбирайте трехфазный мост Ларионова.
• Если требуется плавно регулировать напряжение или ток под нагрузкой, выбирайте тиристорную управляемую схему.
• Если важно снизить потери в низковольтном импульсном источнике, выбирайте синхронное выпрямление на MOSFET.