С момента, когда сторонники переменного тока под руководством Джорджа Вестингауза одержали верх в так называемой "войне токов" в конце 1880-х — начале 1890-х годов, развитие выпрямительных устройств стало лишь вопросом времени. Рассмотрим ключевые этапы их эволюции.
Первоначальные выпрямители высокой мощности основывались на эффекте дугового разряда в парах ртути. Патент на такое устройство был получен американским изобретателем Питером Купер-Хьюиттом в 1901 году. В том же году В. Ф. Миткевич провел исследования электрической дуги и предложил схему двухполупериодного выпрямления. В 1911 году Н. Д. Папалекси разработал схемы одно- и двухполупериодных выпрямителей, которые заложили основы для дальнейших улучшений. В 1924 году А. Н. Ларионов предложил несколько новых схем выпрямления, которые используются и по сей день, став основой для дальнейших разработок.
Революционный скачок в области выпрямительных устройств произошел в 1950-х годах с появлением первых мощных силовых диодов, что открыло новые горизонты для применения выпрямителей.
Принцип работы выпрямительных схем достаточно прост и интуитивно понятен, хотя при выборе схемы и компонентов важно учитывать определенные нюансы. Диодный мост представляет собой комбинацию четырех диодов, соединенных таким образом, чтобы обеспечить эффективное преобразование переменного тока в постоянный.
В диодном мосте используется два полупериода переменного тока, что позволяет минимизировать потери энергии и повысить эффективность работы. Когда переменное напряжение подается на вход моста, два диода проводят ток во время положительного полупериода, а другие два — во время отрицательного. Это обеспечивает постоянный выходной ток, который можно использовать для питания различных устройств.
На рисунке ниже представлена схема работы однополупериодного выпрямителя, работающего с активной и активно-индуктивной нагрузкой. В этой схеме обозначены основные параметры: ток и напряжение первичной и вторичной обмоток, анодный ток диода и напряжение на нем, а также ток и напряжение нагрузки.
На рис. 1 показана простейшая схема однополупериодного выпрямителя, работающего на активную (рис. 1б) и активно-индуктивную (рис. 1в) нагрузку. На этой и последующих схемах приняты следующие обозначения:
Рис. 1. а) Однополупериодный выпрямитель; временная диаграмма работы: б) на активную нагрузку; в) на активно-индуктивную нагрузку
При активной нагрузке, когда ток и напряжение совпадают по фазе, среднее выпрямленное напряжение на нагрузке определяется интегрированием полуволны синусоиды напряжения:
,
где: — амплитудное значение выпрямленного вторичного напряжения.
Здесь и далее для упрощения анализа мы не будем учитывать падение напряжения на выпрямительных диодах.
При работе на активно-индуктивную нагрузку (рис. 1в) ток отстает по фазе от напряжения и выпрямительный диод не закрывается до тех пор, пока ток индуктивности не спадает до нуля. Поэтому выпрямительный диод остается открытым и при отрицательном напряжении на вторичной обмотке, следовательно, выпрямленное напряжение уменьшается. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо параллельно индуктивной нагрузке включить обратный диод, который образует замкнутый контур для тока индуктивности.
При однополупериодном выпрямлении, когда ток нагрузки протекает через трансформатор только в течение половины периода, появляется постоянная составляющая в токе нагрузки и как следствие - подмагничивание сердечника трансформатора. При этом чем меньше габаритная мощность трансформатора, тем больше сказывается такое влияние тока нагрузки. Однополупериодный выпрямитель применяется чаще всего при мощности нагрузки, не превышающей несколько Ватт. Частота пульсации выпрямленного напряжения в таком выпрямителе равна частоте питающей сети.
Рис. 2. а) Мостовой диодный выпрямительный мост; временная диаграмма работы: а) на активную нагрузку; в) на активно-индуктивную нагрузку
Мостовой диодный выпрямительный мост и временная диаграмма его работы показана на рис. 2. Нетрудно увидеть, что выпрямленное напряжение нагрузки диодного моста вдвое больше, чем у однополупериодного выпрямителя и составляет 0,9U2. Также в случае использования диодного моста отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора. Частота пульсации (основная гармоника) выпрямленного напряжения в мостовом выпрямителе вдвое больше частоты сети.
В цепях средней и большой мощности свыше сотен Ватт используется трехфазная сеть и либо трехфазный выпрямитель с нулевым проводом (схема Ларионова), либо трехфазный диодный мост. У каждого из них свои преимущества и недостатки, которые мы отразили в таблице.
Таблица. Сравнение трехфазных диодных выпрямителя и моста
|
Трехфазный диодный выпрямитель с нулевым проводом (схема Ларионова) |
Трехфазный диодный мост |
||
|
Достоинства |
Недостатки |
Достоинства |
Недостатки |
|
Ток нагрузки проходит только через один диод, следовательно, меньше падение напряжения на диодах |
Подмагничивание трансформатора |
Минимальная мощность трансформатора |
Ток нагрузки проходит через 2 диода. Следовательно, больше падения напряжения на них, что может быть критично при низком выпрямленном напряжении |
|
Используется меньше диодов |
Обратное напряжение на диодах вдвое выше, чем в мостовой схеме и составляет 2,09Ud |
Обратное напряжение на диодах вдвое ниже, чем в схеме Ларионова, и составляет 1,045 Ud |
|
|
Простота управления, экономичность |
|
Малая пульсация выпрямленного напряжения |
|
Рис. 3. а) Трехфазный диодный выпрямительный мост; б) временная диаграмма работы
Как правило, при большой мощности используют трехфазную диодную мостовую схему. Она изображена на рис. 3. На этом же рисунке показаны временные диаграммы работы диодного моста. При использовании диодного моста среднее выпрямленное напряжение на нагрузке составит 1,35U2 — это максимальное выпрямленное напряжение, которое можно получить при применении упомянутых в статье выпрямителей. Более высокое значение выпрямленного напряжения можно получить только при увеличении числа фаз сети.
Диодные мосты находят широкое применение в различных областях. Они используются в источниках питания для преобразования переменного тока в постоянный, что необходимо для работы большинства электронных устройств. Также они применяются в зарядных устройствах для аккумуляторов, в системах управления электродвигателями и в солнечных инверторах.
Таким образом, диодные мосты являются важным элементом современных электрических систем благодаря своей надежности и эффективности. Их использование позволяет значительно улучшить качество электроснабжения и расширить возможности применения в самых разных сферах.
