Выпрямители переменного тока
Электростанции вырабатывают переменный ток. Однако 25-30% электрической энергии используется в устройствах, работающих на постоянном токе. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяют выпрямители.
Для выпрямления переменного тока раньше использовались электромагнитные преобразователи, ртутные, ионные, электронные лампы. В настоящее время в основном применяются полупроводниковые выпрямители. Они проще по конструкции, меньше по размерам, надежнее при эксплуатации, удобнее при обслуживании и имеют более высокий КПД.
Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Для них характерно наличие двух типов проводимости: электронной, или n-проводимости, за счет свободных электронов; дырочной, или p-проводимости, за счет валентных электронов (дырок). Введение определенных примесей позволяет получать полупроводники проводимости n- или p-типа. Если полупроводник имеет две зоны с различными типами проводимости, то на их границе образуется n-p-переход, обладающий односторонней проводимостью электрического тока.
Действительно, при подключении положительного полюса источника к зоне с проводимостью р-типа, а отрицательного — к зоне с проводимостью n-типа дырки будут отталкиваться положительным потенциалом источника тока, а электроны — отрицательным. В результате этого они движутся навстречу друг другу, частично рекомбинируя в зоне перехода, а затем притягиваются к электродам источника питания, обеспечивая прохождение электрического тока через диод (рис. 1, а). Если же последний подключить иначе (рис. 1, б), то зона перехода обедняется носителями зарядов, а его сопротивление резко возрастает и ток через диод не проходит.
С
помощью выпрямителей получают пульсирующий
ток,
направление которого не меняется, а
меняется величина. Для того, чтобы
сгладить пульсацию тока, последовательно
с диодом включают дроссель
(катушка
с сердечником), а параллельно —конденсаторы
большой
емкости (рис. 2). Дроссель и конденсаторы
представляют собой фильтр,
который сглаживает пульсацию тока. На
выходе выпрямителя получают постоянный
ток по величине и направлению.
Для
выпрямления переменного тока используют
три вида выпрямителей: Рис.1
однополупериодный (рис. 3, а), двухполупериодный со средней точкой (рис. 3, б) и двухполупериодный по мостовой схеме (рис. 3, в).
Полупроводниковые диоды разнообразны по конструкции и назначению. Для сильных токов применяют плоскостные Рис.2
диоды, а для слабых токов — точечные диоды. 2
Рис.3
Двухполупериодный выпрямитель.
Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов). Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствие нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.
Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинальной величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.3