Диод, мосты и трудности выпрямления тока
Первоначально диодами называли электронные лампы с двумя электродами. Нагретый катод испускал электроны, способные лететь в единственном направлении – на анод. А в обратном направлении ток не тек. Это позволяло отсечь часть периода переменного напряжения. В результате ток становился выпрямленным.
Недостаток конструкции очевиден – часть времени, половину интервала, схема бездействует. По указанной причине создать высокую эффективность сложно. Говорим не о КПД, скорее, затрагиваем общую мощность. Напряжение в сети ограничено по номиналу, требуется действенно использовать имеющееся. Если повышать потребление через единственный диод, он перегреется и сгорит. Здесь на помощь приходит диодный мост.
Конструкция моста на схеме
Конструкции, рассмотренные в статье, как раз направлены на улучшение определённых свойств. Иначе давно применялся бы диодный мост единственной конфигурации. Известный диодный мост на четырёх вентилях далеко не единственный по простой причине – предназначен для работы с одной фазой напряжения. Это ущербный вариант, поставляемый в наши дома из целей экономии проводов, и в промышленности не применяется.
Начнём с Николы Тесла. Этот человек первым придумал вращающееся магнитное поле. Прежде переменный ток использовался, но при помощи единственной фазы озвученное явление создать нельзя. Внутри двигателя нужно, чтобы поле вращалось. Единственная фаза физически обеспечить это не в силах. Никола Тесла изобрёл асинхронный двигатель, со множеством полюсов. Отметим, что коллекторные разновидности моторов способны работать от переменного и постоянного тока, но рекомендуется избегать конструкций с постоянными магнитами. Ротор и статор собираются из медных обмоток. Полагаем, что в 19 веке подобных разновидностей двигателей не было.
Вернёмся к фазам. Изобретя асинхронный (индукционный) двигатель переменного тока, Никола Тесла попутно отметил в патенте возможность дальнейшего увеличения фаз, но дальше не пошёл. Позднее Доливо-Добровольский доказал, что гораздо результативнее использовать три фазы. Сегодня промышленные конструкции используют этот вариант. Заметим, любой двигатель может работать на потребление и генерацию тока, читатели поймут, что однофазный диодный мост не станет идеальным решением. Это ущербный, урезанный вариант для бытовой техники. Не более.
Бортовые системы несут в составе генератор на три фазы, это самая результативная конструкция сегодня из возможных. Используется уже схема Ларионова. Так достигается наилучшее соотношение экономии и эффективности. Неплохими характеристиками обладают выпрямительные схемы Миткевича. Школьные и ВУЗовские курсы физики имеют упрощённую структуру ввиду слишком сильного развития науки: невозможно за семестр вместить в головы учащихся всю информацию.
Диодный мост Гретца для бытовой техники не считается единственно возможным. Известны варианты на три фазы, гораздо более распространенные, чем кажется изначально. Диоды по конструкции и характеристикам сильно отличаются друг от друга. Это обусловливает специфику применения. Допустим, силовые разновидности мощные, но несут большие потери. Потому в выходных цепях импульсных блоков питания применяются диоды Шоттки с малым падением напряжения на p-n-переходе.
Конструкции диодных мостов
Единственная конструкция диодного моста не в силах обеспечить всех потребностей. Поэтому в автомобилях применяются схемы Ларионова. Сейчас обсудим конструкции, вначале проясним, почему диодный мост так называется. В 1833 году предложена схема для измерения сопротивления, основанная на выравнивание потенциала средних выводов двух ветвей:
- Четыре сопротивления соединяются в квадрат (по одному на сторону геометрической фигуры).
- К двум углам подаётся питающее напряжение от аккумулятора или другого источника.
- С двух других углом снимаются показания любым регистратором напряжения или тока.
Смысл работы заключается в том, чтобы при помощи потенциометра показания индикатора обратить в нуль. Тогда говорят – наступило равновесие моста. В то время (до публикации законов Кирхгофа) уже знали, что падение напряжение на двух резисторах пропорционально их величине, значит, справедливо, что: R1/R2 = R3/Rx, где R2 – потенциометр, R1 и R3 – постоянные сопротивления известного номинала, Rx – исследуемый элемент. Потом из простой пропорции находится искомая величина.
Мостовой схему в англоязычной литературе называют по причине, что между двумя ветвями электрической цепи, состоящих из сопротивлений R1, R2 и R3, Rx, соответственно, перекинуты перемычка – измерительный прибор. Людям это напомнило мост, схему назвали соответственно.
Диодный мост Гретца
В 1897 году журнал Elektronische Zeitung (часть 25) опубликовал заметку Лео Гретца об исследовании диодного моста. Отдельные читатели решили, что указанный человек стал изобретателем устройства. Поныне (на 2021 год) русский домен Википедии продолжает утверждать неоспоримый факт. В действительности изобретателем диодного моста Гретца стал польский электротехник Карол Поллак. Авторам обзора не удалось найти биографии учёного мужа на русском языке. Неудивительно, что о патенте под номером 96564 от 14 января 1896 года мало известно.
Схема диодного моста
Из рисунка видно объяснение названия схемы – диодный мост, налицо все признаки:
- Две ветки из диодов по центру закорочены цепью нагрузки.
- Питание переменным током подаётся к двум сторонам квадрата.
- На выходе присутствует постоянное напряжение.
К недостаткам схемы относится факт: падение напряжение на p-n-переходе удваивается. В любой момент времени ток проходит через пару диодов, а не один, как в случае однополупериодного выпрямителя. При большом вольтаже потерями возможно пренебречь, чтобы схема не сгорела, её снабжают большими изрезанными металлическими радиаторами. Автомобилисты уже поняли, о чем речь, простым смертным заметим, что для бытовой техники это не всегда справедливо (радиатор отсутствует). Причина не в мощности в цепи легковой машины. Скорее, при постоянном напряжении 12 В бортовой сети высоким оказывается ток, указанный факт приводит к столь сильному выделению тепла.
Поясним. По закону Джоуля-Ленца теплота от протекания электрического тока пропорциональна квадрату величины тока. В низковольтных цепях по этой причине приходится медные провода делать толстыми. Это причина, почему промышленное напряжение выше 12 В. В силовых линиях идут киловольты, что помогает снизить сечение кабелей и сэкономить на материалах. Для преобразования между линиями служит трансформатор, он, как правило, стоит на входе любого бытового прибора.
Это нужно, чтобы быстро создать номиналы напряжений, близкие к требуемым. Особенно ярко утверждение прослеживается на примере телевизоров с электронно-лучевой трубкой. Трансформатор на входе несёт множество выходных обмоток по числу цепей. Остаётся только выпрямить ток при необходимости, что позволяет снизить сложность аппаратуры. Для этого после выходной обмотки трансформатора ставится диодный мост Гретца (речь идёт об однофазных сетях 220 В).
В современных импульсных блоках питания по-другому. Диодный мост ставится прямо после входного фильтра, потом выпрямленное напряжение нарезается на тиристорном (транзисторном) ключе на высокочастотные импульсы, подаваемые на трансформатор. Это позволяет многократно уменьшить размеры сердечника и обмоток. Посмотрите на адаптер для сотового телефона: внутри стоит импульсный трансформатор. По размеру не сравнить с блоком питания телевизора. Порекомендуем обратить внимание на системный блок персонального компьютера, где источник выдаёт не менее 350 Вт. Этого хватит для телевизора с электронно-лучевой трубкой.
Схема моста Гретца
После импульсного трансформатора снова стоит выпрямитель. Иногда это диодный мост на базе диодов Шоттки с низким падением напряжения на p-n-переходе. Вспомним о перечисленных ранее недостатках. Для низких выходных напряжений импульсного блока питания применение диодных мостов невыгодно, удваивается количество вентилей. В результате потери выше, что закономерно снижает КПД. Дополнительным фактором считается выделение тепла: при низких напряжениях приходится использовать радиаторы при большом сопротивлении p-n-перехода.
Сопротивление p-n-перехода
Диодные мосты Гретца де-факто являются доминирующими сегодня в бытовых приборах. Сделаем маленькое отступление по поводу сопротивления p-n-перехода.
Как известно, характеристика диода напоминает в положительной части оси абсцисс параболу. Неважна форма, важен факт, что в любой точке графика становится возможным найти сопротивление. Потребуется просто поделить напряжение на ток. Получается, сопротивление диода зависит от приложенного вольтажа и в типичном случае постоянно меняется. Найдём аналогично действующему значению напряжения (220 В) среднюю цифру и для этого параметра. От неё зависят потери. Чем сопротивление p-n-перехода ниже, тем лучше. Поэтому выгодно использовать диоды Шоттки.
Однофазные выпрямители по схеме Миткевича
Схема не смотрится мостом, за исключением отдельных черт сходства. Из рисунка видно, что нагрузка словно закорачивает ветви обмотки трансформатора и диодов. Это уже натяжка. Так любую цепь можно назвать мостом. В любой момент времени у схемы Миткевича работает половина конструкции. Вторая заперта.
Аналогичное говорится про диодный мост Гретца, но здесь утверждение распространяется на обмотку трансформатора, чего нельзя отметить в предыдущем случае.
Однофазные и трехфазные управляемые выпрямители
Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.
Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.
US=2sin(ωt)d(ωt)= U2 Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.
Недостатки:
1) Большая величина пульсаций
2) Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
3) Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).
Преимущество: экономия на количестве вентилей.
Наиболее распространены трёхфазные выпрямители по схеме Миткевича В. Ф. (на трёх диодах, предложена им в 1901 г.) и по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах, предложена в 1923 г.). Выпрямитель по схеме Миткевича является четвертьмостовым параллельным, по схеме Ларионова — полумостовым параллельным.
Три четвертьмоста параллельно (схема Миткевича)
(«Частично трёхполупериодный со средней точкой»). Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна:
На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды в ветвях с меньшей на данном отрезке периода ЭДС и относительное эквивалентное активное сопротивление равно сопротивлению одной ветви 3r. При увеличении нагрузки (уменьшении Rn ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно и относительное эквивалентное активное сопротивление на этих отрезках равно 3r/2. В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Частота пульсаций равна 3f, где f — частота сети.
Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником («треугольник-Ларионов»)
Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)
В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.
В выпрямителе «треугольник-Ларионов» потери в меди больше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».
Кроме этого, выпрямители Ларионова А.Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.
В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» (англ. full wave), на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: , то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.
В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° ( ). Малый период равен 60° ( ), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (), которые зеркальносимметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.
На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.
В начальный момент ( ) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,86*Em, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,86) и одинаковыми сопротивлениями по 3*r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3*r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,86, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема является параллельным включением двух ветвей, в одной из которых большая ЭДС и её сопротивление равно 3*r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2*3*r=6*r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно
Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна .
Относительная амплитуда пульсаций равна .
