Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Устройство и принцип работы

В схему сварочного выпрямителя входят следующие элементы:

• трансформатор – регулируют напряжение (когда подаваемый от сети ток проходит через трансформатор, силовая нагрузка уменьшается до напряжения холостого хода);
• выпрямляющий блок – несколько полупроводниковых элементов преобразуют переменный ток в постоянный;
• частотные и силовые регуляторы;
• накопители заряда, сглаживающие импульсные скачки.

Устройство сварочного выпрямителя

Чтобы понять принцип работы устройства, вспомним механизм действия полупроводников. Они пропускают электроны только в положительном полупериоде. При включении в схему нескольких проводников, удается получить много полупериодных кривых, при их наложении возникает постоянный ток.

Схема сварочного выпрямителя

Умножитель (удвоитель) напряжения

В тех случаях, когда нецелесообразно повышать напряжение при помощи трансформатора, применяют удвоители и умножители напряжения. В схеме параллельного удвоения в течении каждого полупериода заряжается один из конденсаторов до амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно, то снимаемое с них постоянное напряжение будет равно двойному амплитудному значению:

В последовательной схеме удвоения в течение одного полупериода заряжается конденсатор С1 через диод VD2 до амплитудного значения. В течение следующего полупериода напряжение обмотки, складываясь с напряжением конденсатора С1, через диод VD1 заряжает конденсатор С2 до двойного амплитудного значения:

Увеличивая количество звеньев в такой схеме, можно получить умножение напряжения любой кратности.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Получаем 12 Вольт из 220

Наиболее часто стоит задача получить 12 вольт из бытовой электросети 220В. Это можно сделать несколькими способами:

1. Понизить напряжение без трансформатора.
2. Использовать сетевой трансформатор 50 Гц.
3. Использовать импульсный блок питания, возможно в паре с импульсным или линейным преобразователем.

Понижение напряжения без трансформатора

Преобразовать напряжение из 220 Вольт в 12 без трансформатора можно 3-мя способами:

1. Понизить напряжение с помощью балластного конденсатора. Универсальный способ используется для питания маломощной электроники, например светодиодных ламп, и для заряда небольших аккумуляторов, как в фонариках. Недостатком является низкий косинус Фи у схемы и невысокая надежность, но это не мешает её повсеместно использовать в дешевых электроприборах.
2. Понизить напряжение (ограничить ток) с помощью резистора. Способ не очень хороший, но имеет право на существование, подойдет, чтобы запитать какую-то очень слабую нагрузку, типа светодиода. Его основной недостаток – это выделение большого количества активной мощности в виде тепла на резисторе.
3. Использовать автотрансформатор или дроссель с подобной логикой намотки.

Гасящий конденсатор

Прежде чем приступить к рассмотрению этой схемы предварительно стоит сказать об условиях, которые вы должны соблюдать:

• Блок питания не универсальный, поэтому его рассчитывают и используют только для работы с одним заведомо известным прибором.
• Все внешние элементы блока питания, например регуляторы, если вы будете использовать дополнительные компоненты для схемы, должны быть изолированы, а на металлических ручках потенциометров надеты пластиковые колпачки. Не касайтесь платы блока питания и проводов для подключения выходного напряжения, если к ним не подключена нагрузка или если в схеме не установлен стабилитрон или стабилизатор для низкого постоянного напряжения.

Тем не менее, такая схема вряд ли вас убьёт, но удар электрическим током получить можно.

Схема изображена на рисунке ниже:

R1 – нужен для разрядки гасящего конденсатора, C1 – основной элемент, гасящий конденсатор, R2 – ограничивает токи при включении схемы, VD1 – диодный мост, VD2 – стабилитрон на нужное напряжение, для 12 вольт подойдут: Д814Д, КС207В, 1N4742A. Можно использовать и линейный преобразователь.

Или усиленный вариант первой схемы:

Номинал гасящего конденсатора рассчитывают по формуле:

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√(Uвход²-Uвыход²)

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√Uвход

Но можно и воспользоваться калькуляторами, они есть в онлайн или в виде программы для ПК, например как вариант от Гончарука Вадима, можете поискать в интернете.

Конденсаторы должны быть такими – пленочными:

Остальные перечисленные способы рассматривать не имеет смысла, т.к. понижение напряжения с 220 до 12 Вольт с помощью резистора не эффективно ввиду большого тепловыделения (размеры и мощность резистора будут соответствующие), а мотать дроссель с отводом от определенного витка чтобы получить 12 вольт нецелесообразно ввиду трудозатрат и габаритов.

Блок питания на сетевом трансформаторе

Классическая и надежная схема, идеально подходит для питания усилителей звука, например колонок и магнитол. При условии установки нормального фильтрующего конденсатора, который обеспечит требуемый уровень пульсаций.

В дополнение можно установить стабилизатор на 12 вольт, типа КРЕН или L7812 или любой другой для нужного напряжения. Без него выходное напряжение будет изменяться соответственно скачкам напряжения в сети и будет равно:

Uвых=Uвх*Ктр

Ктр – коэффициент трансформации.

Здесь стоит отметить, что выходное напряжение после диодного моста должно быть на 2-3 вольта больше, чем выходное напряжение БП – 12В, но не более 30В, оно ограничено техническими характеристиками стабилизатора, и КПД зависит от разницы напряжений между входом и выходом.

Трансформатор должен выдавать 12-15В переменного тока. Стоит отметить, что выпрямленное и сглаженное напряжение будет в 1,41 раз больше входного. Оно будет близко к амплитудному значению входной синусоиды.

Также хочется добавить схему регулируемого БП на LM317. С его помощью вы можете получить любое напряжение от 1,1 В до величины выпрямленного напряжения с трансформатора.

Устройство и принцип работы сварочного выпрямителя

Ниже перечислены основные элементы, которые включаются в любую схему оборудования такого рода. Итак, сварочный выпрямитель состоит из:

• трансформатора – узла, позволяющего регулировать напряжение. Сетевой ток проходит через трансформатор и преобразуется. В результате снижается силовая нагрузка;
• блока выпрямления, который состоит из набора полупроводников, преобразующий переменный ток в постоянный;
• регуляторов частотности и силы тока;
• накопителей – сглаживают импульсы.

Чтобы разобраться в принципе работы оборудования, необходимо обратить внимание на механику работы полупроводников. Они открыты для прохождения электродов исключительно в положительном полупериоде

При условии, что схема содержит несколько полупроводников генерируется соответствующее количество полупериодных кривых. Они накладываются друг на друга, образуя постоянное напряжение.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи. Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

Выпрямительные диоды.

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания. Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED – подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Будет интересно Что такое варикап?

Параметры диодов

Параметров у диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. Основные параметры выпрямительных диодов приведены в таблице ниже.

Таблица основных параметров выпрямительных диодов.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются. Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр.– допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
• U обр.– допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине.

Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр.– прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
• I обр.– обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
• U стаб.– напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Будет интересно Маркировка различных видов диодов

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Диоды высокого тока.

Что такое сварочный выпрямитель

Устройство является преобразовательным блоком с возможностью регулировки силы тока (ампераж) и напряжения (вольтаж). На выходе сварочного выпрямителя есть провода с клеммами – плюсовой и минусовой. Один из них подключается к электроду, а другой контактирует с заготовкой. В результате замыкания цепи образуется электрическая дуга. Ее высокая температура позволяет расплавлять металлы и сваривать их.

В зависимости от назначения выпрямители отличаются уровнем сложности и функционалом. Тем не менее, принципиальная рабочая схема остается типовой. Его основу составляет преобразователь – трансформатор, модулирующий нужное для конкретной ситуации напряжение. Помимо этого, в схеме есть определенное количество полупроводников, которые отсекают отрицательную часть синусоиды переменного тока, пропуская только положительный заряд.

https://youtube.com/watch?v=G84TO5pbHiA

Устройство сварочных выпрямителей.

Свою работу такие аппараты для преобразования тока осуществляют за счет применения в их конструкции специальных полупроводниковых элементов, которые бывают либо кремниевыми, либо селеновыми. Наибольшую популярность завоевали именно селеновые элементы, ведь они стоят дешевле и обладают хорошей перегрузочной способностью.

Чаще всего в состав выпрямителя для электродугового сваривания входят силовой трансформатор, блок выпрямительный, аппаратура – защиты, пуска и регулировки, измерений.

Эта схема работает по следующему принципу: трансформатор преобразует ток электросети, а также отвечает за согласование значений напряжений – сети и выходного.  

Отметим, что традиционно в выпрямителях, использующихся для одного поста, применяются трансформаторы трехфазные, так как другие типы могут привести к пульсированию напряжения, выходящего из выпрямителя.

Применяемы в выпрямителях регуляторы тока нужны, чтобы иметь возможность устанавливать необходимое значение тока, а также регулировать режимы сваривания металлоизделий.

Заметим, что обычно выпрямительный блок делается по мостовой схеме на три фазы, что обеспечивает равномерную нагрузку. Также это позволяет добиваться достаточно хороших технических и экономических показателей.

Сглаживание выпрямленного напряжения

Уровень качества выпрямленного сигнала оценивается согласно коэффициенту пульсаций. Для снижения показателя используют полупроводниковые сглаживающие фильтры, как индуктивные, так и емкостные.

Источники

• https://tpspribor.ru/interesnoe/diodnyy-most.html
• https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/vypriamiteli/
• https://amperof.ru/elektropribory/vypryamitel-toka.html
• https://www.kipiavp.ru/pribori/odnopoluperiodniy-vipryamitel.html
• https://ElectroInfo.net/poluprovodniki/dlja-chego-nuzhny-vyprjamitelnye-diody.html
• https://www.elel.ru/shemavip3.html
• https://amperof.ru/elektropribory/dvuxpoluperiodnyj-vypryamitel.html
• https://tokar.guru/hochu-vse-znat/vypryamitel-shema-diodnogo-mosta.html

Как вам статья?

Основные типы сварочных выпрямителей

Преобразователи сварочного тока отличаются по двум показателям: типу конструкции и способу регулировки силовых показателей подключения.

Основные виды выпрямителей:

• регулировка осуществляется посредством изменений в работе трансформатора;
• модели с дросселем. Используется индукционная катушка, исключающая резкие перепады напряжения;
• тиристорные. В качестве регуляторов, изменяющих напряжение, используются тиристоры.
• транзисторные. В схему оборудования включены полупроводники, которые сглаживают амплитуду импульсов тока;
• инвертор. Аппарат оснащен преобразователем с частотным повышением напряжения и регулятором силы тока.

Основные отличия сварочных аппаратов в зависимости от силовых показателей и особенностей их регулировки:

• Модели для электрической дуговой сварки, подключаемые к трехфазной сети. Характеризуются большими размерами. Работа преобразователя сопряжена с ощутимыми потерями электричества. Возможности аппарата ограничиваются мощностью трансформатора и параметрами дополнительного сопротивления.
• Автоматы и полуавтоматы. Сила тока на выходе зависит от мощности магнитного поля, которая в свою очередь управляется реостатом. Он позволяет изменить количество витков вторичной обмотки (за принципом вольтамперной регулировки). Помимо этого, устанавливается осциллограф, позволяющий контролировать импульсную регулировку. Изначально ток выпрямляется, после чего преобразовывается в переменный высокочастотный.
• Трехфазные выпрямители дроссельного типа устанавливаются в дуговой аргоновой сварке. В их конструкции предусмотрен дополнительный сердечник с обмоткой. Его роль заключается в накоплении заряда, подаваемого на конденсатор-выпрямитель.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Мостовой удвоитель напряжения

Схема сходна по структуре с мостом Гретца, однако дополнительно устанавливаются накопительные элементы. Это позволяет суммировать напряжение на выходе из мощности, накопленной конденсаторами за время прохождения тока. Удвоение представляет собой преобразование низкочастотного переменного напряжения в высокочастотное постоянное.

Удвоитель напряжения

Выпрямитель – это устройство, которое превращают переменный ток, полученный из сети, в нужный постоянный. При этом электрический ток на выходе может обладать сниженной амплитудой колебаний либо быть полностью сглаженным. Таким образом, устройства, требующие для работы постоянного напряжения, получают питание. Используется для зарядки большинства аккумуляторов, например, в зарядном устройстве Рассвет, сварочных аппаратах и электросиловых установках. Класс устройства определяется количеством диодов.

Разновидности выпрямителей для сварочных работ.

Эти выпрямители классифицируются по разным показателям: начиная от сферы применения и заканчивая конструкционными особенностями.

Так, в зависимости от области использования бывают бытовые, полупрофессиональные и профессиональные выпрямители, которые различаются рабочим напряжением.

Конструкционные особенности силовой части этих устройств определяют такие виды:  

• тиристорные устройства;
• оборудование с дросселем насыщения;
• инверторные;
• регулируемы трансформатором;
• с транзисторным регулированием.

Разные типы выпрямительных устройств могут быть применены при разных способах сварки. Так, к примеру, для сваривания в среде защитных газов, а также под флюсом, сварщики выбирают выпрямители, имеющие жесткие внешние характеристики. В этих преобразователях могут применяться различные способы регулировки напряжения. Так, используют:

• витковую;
• магнитную;
• фазовую;
• импульсную.

Ручная дуговая сварка, обычно, осуществляется с использованием выпрямителей, имеющих падающие внешние характеристики. Эти характеристики формируются двумя способами, а именно:

1. Повышение сопротивления трансформаторов – часто встречается в выпрямителях, трансформаторы которых имеют магнитный шнур, подвижную либо разнесенную обмотку.
2. Использование обратной связи по току – этот способ встречается в таких типах выпрямителей, как тиристорный, инверторный, транзисторный.

Кроме того, существуют выпрямители универсального типа, т.е. они формируют жесткие и падающие внешние характеристики.

Динамо-машина

Чтобы понять, как устроен и как работает генератор, для начала нужно рассмотреть устройство динамо-машины и ее принцип действия. В устройстве использованы постоянные магниты, создающие постоянное магнитное поле. Между магнитами расположен якорь, который представляет собой замкнутый проводящий контур из проводника, намотанного на магнитопровод.

При вращении якоря (движении проводника в магнитном поле) в его обмотках индуктируется ЭДС. Концы обмотки якоря присоединены к контактным кольцам, а напряжение с них снимается щетками. Недостатком такой конструкции стало явление устаревания постоянных магнитов и постепенное их размагничивание. В результате постоянные магниты заменили электромагнитами, что стало началом создания современного генератора.

Однофазные выпрямители

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Однополупериодный выпрямитель: график напряжения по времени до выпрямления — одна из возможных схем выпрямителя — и график напряжения по времени после выпрямления

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (). 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.

трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

Рис. 1 Схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом
На Рисунок 2 представлены временные диаграммы напряжения u2(t) в точках a, b, c, тока через R и диоды VD1, VD2 и VD3.
Ток через резистор по первому закону Кирхгофа равен сумме токов всех трех ветвей с учетом знака (направления). Так как токи в каждой фазе по данной схеме при положительных потенциалах в точках a, b, c относительно узла d направлены к узлу d´, то суммарный ток через резистор всегда имеет одно и то же направление . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Т.е. имеет место выпрямление тока.
Проведем более детальный анализ выпрямления трехфазного тока, рис. 2.
Рис. 2 Временные диаграммы потенциалов в точках a, b, c – ua(t), ub(t), uc(t); токов через диоды iVD1, iVD2, iVD3 и тока через резистор iR.
В момент t = 0 потенциалы в точках a, c одинаковые. Вследствие этого разность потенциалов на выводах диодов VD1 и VD3 равна нулю и поэтому ток через эти диоды в этот момент равен нулю. Потенциал в точке b относительно потенциалов a и c отрицательный, поэтому на выводах диода VD2 напряжение обратное и ток через VD2 не протекает.
При 0> t > t1 на диодах VD2 и VD3 разность потенциалов соответствует обратному напряжению, т.к. ua(t) > uc(t) > ub(t), а на VD1 – прямому. Поэтому через VD1 и R начинает протекать ток, равный .
Максимум тока через резистор будет наблюдаться в момент времени t = t1. При t = t2 потенциалы в точках a и b выравниваются и ток через диоды VD1 и VD2 прекращается из-за разности потенциалов равной нулю. Ток через VD3 равен нулю вследствие того, что потенциал в точке c отрицательный и напряжение на нем, равное разности потенциалов между точкой c и точками a и b, является обратным.
В интервалах от t2 до t3 и от t3 до t4 аналогичная ситуация складывается для iVD2 и iVD3. Ток через резистор во времени состоит из последовательности токов через диоды VD1, VD2 и VD3.
В трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом коэффициент пульсаций p = 0.25.
Среднее значение выпрямленного напряжения и тока определяются следующими выражениями:
Максимальное обратное напряжение на диодах равно разности потенциалов между точками (a-c)-b, (a-b)-c и (b-d)-a в моменты времени t0, t1, . Разность потенциалов в эти моменты времени на диодах соответственно VD1, VD2, VD3 и далее равна:
Выпрямитель этого вида позволяет получать выпрямленный ток до сотен ампер, при этом выпрямленное напряжение достигает нескольких десятков киловольт. Основным недостатком является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, снижающее КПД выпрямителя