Принцип действия и схема трехфазного мостового выпрямителя

Особенности тиристорного управления

Все виды преобразователей напряжения

Тиристоры в качестве коммутирующих элементов характеризуются тем, что могут использоваться исключительно в качестве ключей. Каталог номенклатуры тиристоров отличается тем, что большинство элементов в нем не требует постоянной подачи управляющего сигнала. Здесь используется свойство тиристоров сохранять открытое состояние после снятия управления. Запирание происходит только тогда, когда ток через элемент снижается ниже определенного уровня, или происходит смена полярности напряжения на аноде и катоде.

Не дожидаться смены полярности или уменьшения тока можно, применяя специальные запираемые тиристоры, которые запираются путем подачи сигнала на управляющий электрод.

Любой тиристорный преобразователь отличается высоким уровнем искажения формы напряжения. Также в момент переключения возникают импульсы электромагнитных помех, для уменьшения уровня которых требуется использование дополнительных схемных решений (коммутация в момент перехода напряжения через нуль, установка помехоподавляющих фильтров).

Искажение формы сигнала

Методика проверки диодного моста

Поскольку в электронике всё чаще применяются диодные мосты в одном корпусе, то встаёт вопрос о методике их проверки. Мне частенько задают вопрос: «Как проверить диодный мост?».

О проверке обычных диодов я уже рассказывал, но тему проверки диодных сборок как-то упустил из виду. Заполним этот пробел.

Для начала вспомним основные свойства диода и схему диодного моста (так называемую схему Гретца).

Как известно, диод пропускает ток только в одном направлении – это его основное свойство. Схема диодного моста по схеме Гретца приведена на рисунке.

К выводам со значком «~» подводится переменное напряжение, полярность подключения тут не важна. Проще говоря, два вывода «~», это вход переменного напряжения.

С выводов «+» и «—» снимается уже постоянное напряжение. На самом деле оно пульсирующее, но сейчас не об этом.

Иногда выводы для подключения переменного напряжения (~) маркируются также AC, что означает Alternating Current – в переводе с английского «переменный ток».

Итак, память освежили, теперь подумаем о том, как же нам проверить диодный мост мультиметром.

Для экспериментов возьмём диодную сборку RS407 на прямой ток 4 ампера и обратное напряжение 1000 вольт. Также нам потребуется любой цифровой мультиметр.

Включаем мультиметр в режим проверки диода. Обычно он совмещён с режимом «прозвонки» и обозначен на панели прибора символом диода.

Чтобы было более наглядно, нарисуем схему диодного моста на бумаге и будем ориентироваться на рисунок. Далее проверим диоды, которые на рисунке обозначены под номером 1 и 2. Для этого подключаем к минусовому выводу диодного моста плюсовой щуп мультиметра (красный). А минусовой щуп (чёрный) подключаем к выводам моста со значком «~» или аббревиатурой AC. Так как диода два, то проделываем эту операцию по очереди.

Так как в таком случае диоды будут включены в прямом (проводящем) направлении, то на дисплее мультиметра мы увидим числа вроде 0,562V (562 mV). Это падение напряжения на P-N переходе открытого диода. Его ещё называют пороговым, т.е. чтобы открыть диод, нужно превысить данное напряжение. В зарубежных даташитах этот параметр называется Forward Voltage или Forward Voltage Drop (сокращённо Vf), что в вольном переводе означает «падение напряжения в прямом включении».

Для кремниевых диодов пороговое напряжение (Vf) составляет 400…1000 mV.

Теперь подключаем чёрный щуп к другому выводу моста со значком «~» или сокращением AC. Результат должен быть аналогичный. Вот взгляните.

Как видим, этот диод также проводит ток в прямом включении, а величина порогового напряжения чуть-чуть отличается (566 mV), это нормально.

Чтобы 100% удостовериться в исправности диодов 1 и 2, проверим их при обратном включении. Для этого к минусовому выводу моста («—«) подключаем минусовой, чёрный щуп мультиметра, а красный плюсовой щуп поочерёдно подключаем к выводам, обозначенным символом «~».

Проверка одного диода…

…второго.

В обоих случаях на дисплее будет отображаться единица, что свидетельствует о высоком сопротивлении P-N перехода. В таком включении диоды ток не пропускают. Они исправны.

Итак, диоды под номером 1 и 2 мы проверили и убедились в том, что они пропускают ток в одном направлении.

Теперь проверяем другую часть моста — диоды 3 и 4. Для этого к плюсовому выводу моста подключаем минусовой щуп мультиметра и по очереди соединяем красный щуп мультиметра с выводами AC диодной сборки. Это будет проверка диодов при прямом включении.

Как видим, диоды 3 и 4 исправны. Для большей уверенности меняем щупы и проверяем их при обратном включении, аналогично тому, как это делали с диодами 1 и 2. В обоих случаях на дисплее должна быть единица.

Многим такая методика проверки может показаться сложной и нудной. Да, я бы назвал такую проверку «дотошной», но она очень эффективна, так как мы проверяем все диоды сборки по отдельности.

Принцип действия

Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.

ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.

Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.

Диодный мост

Двухполупериодная схема выпрямления, называемая диодным мостом, для работы задействует четыре вентиля, которые формируют замкнутую цепь. С одной части подключается генератор тока, с другой – резистор.

При подключении обмотки конденсатора, вентили работают попарно, сглаживая положительную и отрицательную полуволну. На выходе остается только плюс, при этом показатель пульсаций равняется 0.48.

Главными достоинствами схемы диодного моста являются простота и высокий коэффициент полезного действия. К минусам относят снижение напряжения на вентилях, что сказывается на эффективности работы систем с низким вольтажом.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на нулевой схеме. 

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр  имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке? Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток.

Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны.

Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Однофазное полноволновое устройство

На рисунке показаны однофазный полноводной управляемый выпрямитель с нагрузкой R.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель позволяет преобразовывать однофазный AC в DC. Обычно это используется в различных приложениях, таких как зарядка аккумулятора, управление скоростью двигателей постоянного тока и передняя часть ИБП (источник бесперебойного питания) и SMPS (источник питания с переключаемым режимом).

Все четыре используемых устройства — тиристоры. Моменты включения этих устройств зависят от пусковых сигналов. Выключение происходит, когда ток через устройство достигает нуля, и он обратный смещён, по крайней мере, на длительность, равную времени выключения устройства, указанного в листе данных:

• В положительных полуциклических тиристорах T1 и T2 стреляют под углом α.
• Когда T1 & T2 проводит Vo = Vs IO = is = Vo / R = Vs / R.
• В отрицательном полупериоде входного напряжения SC3 T3 и T4 запускаются под углом (π + α).
• Здесь выходной ток и ток питания находятся в противоположном направлении. T3 & T4 отключается при 2π.

Принцип действия

У переменного тока постоянно меняются два параметра:

1. величина;
2. направление.

Графическое представление этих изменений отображается синусоидой. Полуволны выше оси абсцисс, отображают движение заряженных частиц в положительном направлении, ниже — в противоположном, отрицательном.

Задача выпрямителя — сделать так, чтобы направление тока оставалось постоянным, то есть превратить его в однополярный, добиться этого можно несколькими способами:

1. отсечь отрицательные полуволны. Задействуется только половина вырабатываемой источником или генератором энергии. Поскольку ток действует только в одном полупериоде, такая схема выпрямления называется однополупериодной;
2. «опрокинуть» отрицательные полуволны относительно оси абсцисс, то есть превратить их в положительные. Вырабатываемая энергия задействуется в полном объеме и поскольку ток действует в течение обоих полупериодов, данную схему называют двухполупериодной.

На диаграммах обычно изображают выпрямленное напряжение, поскольку оно, в отличие от силы тока, не зависит от нагрузки.

Особенности трехфазного моста и варианты его построения

Мостовые схемы трехфазных выпрямителей имеют варианты исполнений, позволяющие улучшить параметры устройства. Усовершенствовать их удается за счет введения дополнительных вентильных элементов. В них устанавливают по 6, 9 или даже 12 выпрямительных диодов, включенных по схеме «звезда» или «треугольник».

Чем больше фаз (или пар диодов) используется в схеме выпрямителя, тем ниже уровень пульсаций выходного напряжения.

В качестве примера рассмотрим устройство с 12 выпрямительными диодами. Одна из групп в количестве 6-ти штук включается в этом случае по схеме «звезда» с общей нулевой точкой, а вторая – в треугольник (без земли). С учетом того, что выпрямители соединены последовательно, потенциалы на выходе системы суммируются, а частота пульсаций в нагрузке оказывается в 12 раз большей сетевого значения (50 Герц). После фильтрации поступающее к потребителю напряжение характеризуется более высоким качеством.

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

• значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
• максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
• средней силой выпрямленного тока;
• материалом прибора и типом монтажа.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

• оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
• минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
• ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Двухполупериодный выпрямитель

Некоторые образцы силового оборудования работают только при большой величине выпрямленного тока, протекающего в нагрузке. Ее неспособны обеспечить однополупериодные выпрямители, что объясняется значительными потерями в них. Для повышения нагрузочной способности в цепях трехфазного тока все чаще применяются двухполупериодные выпрямительные приборы, содержащие по два диода на каждую из фаз.

Анализ рабочих диаграмм такого выпрямителя наглядно свидетельствует о его бесспорных достоинствах. При работе этих схем используются как положительные, так и отрицательные полуволны, что поднимает КПД всего преобразователя. Объясняется это тем, что трехфазная структура схемы совместно с двухполупериодным выпрямлением обеспечивают шестикратное увеличение частоты пульсаций. За счет этого амплитуда сигнала на выходе после сглаживающих конденсаторов заметно возрастает (в сравнении с однополупериодным выпрямителем), а отдаваемая в нагрузку мощность повышается.

Схема диодного моста

И самодельный мост, и промышленная диодная сборка изготавливаются по одной и той же схеме. Два диода последовательно спаиваются разноимёнными полюсами. Потом две пары спаивают одноимёнными полюсами на концах этих пар. К точкам соединения разноимённых полюсов подключается источник переменного напряжения, к точкам соединения одноимённых полюсов подключают нагрузку.

Диодные мосты применяются для выпрямления однофазного и трёхфазного тока.

Однофазный выпрямитель

Этот выпрямитель применяется в бытовой электронной технике чаще всего, так как бытовая электросеть однофазная. Как правило, пульсации выпрямленного тока с частотой 100 Гц не годятся для нормальной работы аппаратуры, появится неприятный звуковой фон – гудение. После выпрямителя следует ставить качественный сглаживающий фильтр из катушки индуктивности (последовательно) и конденсатора достаточной ёмкости (параллельно выходу выпрямителя).

ФОТО: electroinfo.netСхема однофазного моста

Трёхфазный выпрямитель

Трёхфазные выпрямители на выходе дают меньшую частоту пульсаций, чем однофазные. Понижаются требования к сглаживающим фильтрам.

Схемы выпрямителей для трёхфазных цепей бывают однотактные и двухтактные. В однотактной схеме к каждой обмотке трёхфазного трансформатора подключается минус диода. Свободные концы каждой из трёх катушек соединяются в общую точку.  Плюсы диодов тоже соединяются в одну точку. Нагрузка подключается между этими двумя общими точками.

ФОТО: electricalschool.infoПринципиальная схема однотактного трёхфазного моста-выпрямителя

Если требуется выходное напряжение более высокого значения, а пульсации поменьше, то собирается двухтактна схема. Собираются три пары диодов, в каждой паре плюсовой вывод одного подключается к минусу другого.  Плюсовые выводы трёх пар тоже собираются в одну точку, так же объединяются минусы диодов, а общие точки в каждой паре диодов подключаются к свободным концам трёх обмоток вторичной обмотки трансформатора. Нагрузка подключается между общим минусом и плюсом сборки. В такой схеме выходное напряжение несколько выше, а пульсации намного меньше. Иногда можно обойтись без сглаживающего фильтра. Такая схема имеет название «Мостовой трёхфазный выпрямитель Ларионова».

ФОТО: electricalschool.infoПринципиальная схема двухтактного трёхфазного моста-выпрямителяФОТО: electricalschool.infoСборка «Трёхфазный диодный мост»

Трехфазная схема выпрямителя

Большинство промышленных источников питания для электродвигателей и сварочных применений используют трехфазное напряжение AC. Это означает, что устройство для этих цепей должен использовать трехфазный мост, который имеет шесть диодов для обеспечения полноволнового выпрямления (два диода для каждой линии трёх фаз). На этом рисунке показана электрическая трехфазная мостовая схема выпрямления.

На диаграмме вторичная обмотка трехфазного трансформатора на диоде устройства. 1D, 3D и 5D соединены вместе, чтобы обеспечить общую точку для отрицательного вывода DC выходной мощности. 2D, 4D и 6D соединены, чтобы обеспечить общую точку для постоянного положительного вывода выходной мощности.

Электронная схема трехфазного мостового выпрямителя, где он соединён со вторичной обмоткой трехфазного трансформатора. Трехфазные входные синусоидальные волны (б). Шесть полуволн для выхода DC. Хорошим правилом для определения соединений на диодных устройствах является то, что входное напряжение (U) переменного тока будет подключено к мосту, где соединяются анод и катод любых двух диодов.

Так как это происходит в двух точках моста, входное U не имеет определённую полярность. Положительный вывод для источника питания будет подключён к мосту, где два катода диодов соединены, а отрицательный вывод будет соединён с мостом и соединяются два анода диодов.

Поскольку шесть полуволн перекрываются, напряжение DC не имеет шансов добраться до нулевой точки напряжения, таким образом, среднее выходное напряжение DC очень велико.

Трехфазный полноволновый мостовой выпрямитель используется там, где требуемое количество мощности DC велико, а эффективность трансформатора должна быть высокой. Поскольку выходные сигналы полуволн перекрываются, они обеспечивают низкий процент пульсаций.

Распространенные схемы двухполупериодных выпрямителей

Данные схемы лежат в основе многих источников питания, применяемых в радиоэлектронике и других технических областях. Таким образом, обеспечивается постоянное напряжение питания электронных устройств, технологических процессов, электромашинных приводов механизмов. Чтобы правильно эксплуатировать выпрямители, необходимо хорошо знать их основные свойства.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от средней точки

Основными преимуществами данной схемы считается более высокий коэффициент эксплуатации вентилей по току, сниженная расчетная мощность трансформатора, низкий коэффициент, определяющий пульсацию выпрямленного напряжения.

Однако в этой схеме вентили недостаточно используются по напряжению. Само устройство обладает высоким обратным напряжением, поступающим на выпрямительные диоды. В схеме используется более сложная конструкция трансформатора.

Двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель

Главным преимуществом мостового выпрямителя считается повышенный коэффициент применения вентилей по напряжению. В схеме используется трансформатор с меньшей расчетной мощностью и очень простой конструкцией. Данные выпрямители нашли широкое применение в установках малой и средней мощности.
Главным недостатком мостовой схемы является необходимость строгой симметрии напряжений на каждой обмотке и применение двух обмоток вместо одной. На диодах возникает большое обратное напряжение. В сравнении с предыдущей схемой выпрямителя, требуется в два раза больше диодов, однако значение общего сопротивления постоянному току во многих случаях оказывается меньше, чем сопротивление выпрямителя со средней точкой.

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением напряжения

Данная схема используется в случае возникновения проблем с намоткой вторичной обмотки, состоящей из множества витков, или при обмотке действующего трансформатора с недостаточным напряжением. В схеме удвоения применяется нагрузочная характеристика с круто падающим графиком. Пульсации выпрямленного тока сглаживаются конденсаторами.

Серьезным недостатком считается возможный взрыв электролитического конденсатора под действием переменного напряжения в случае пробоя одного из диодов. Представленная схема не может быть использована для получения напряжения на выходе более 200-300В из-за возможного пробоя изоляции между нитью накала и катодами в кенотроне.

Двухполупериодный выпрямитель с умножением напряжения

Представленная схема дает возможность получать высокое напряжение без использования высоковольтного трансформатора. В ней используются конденсаторы с рабочим напряжением 2Ет, независимо от того, во сколько раз умножилось значение напряжения.

Данная схема двухполупериодного выпрямителя имеет недостаток в виде разрядки конденсаторов при включении нагрузочного сопротивления. С уменьшением сопротивления нагрузки увеличивается скорость разрядки конденсаторов, снижается их напряжение. Использование этой схемы нерационально при незначительных сопротивлениях нагрузок.

Однофазная мостовая схема — выпрямление

Двухтактная схема выпрямления с удвоением напряжения ( а, графики токов и напряжений в ней ( б.

Однофазная мостовая схема выпрямления с удвоением напряжения чрезвычайно распространена. Она применяется как при синусоидальной, так и при прямоугольной форме кривой питающего напряжения.
 

Однофазная мостовая схема выпрямления широко распространена для зарядки аккумуляторов и в измерительной технике; при этом целесообразно использовать полупроводниковые вентили. В случаях, если требуется получить выпрямитель с малым коэффициентом пульсации, применяются трехфазные схемы выпрямления, например звезда-зигзаг или мостовая схема проф.
 

Однофазное двухполу-периодное выпрямление мостовой схемой.

Однофазная мостовая схема выпрямления ( рис. 58, а, б) состоит из трансформатора Т и четырех диодов, собранных по схеме моста. Одна из диагоналей моста присоединена к вентильной обмотке трансформатора, вторая диагональ на нагрузку Rd. Положительным полюсом нагрузки является общгя точка соединения катодов диодов, отрицательным — точка соединения анодов.
 

В однофазной мостовой схеме выпрямления ( рис. 10.38) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток / t, а другие два диода заперты.
 

В однофазной мостовой схеме выпрямления ( рис. 10.38) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток / j, а другие два диода заперты.
 

В однофазной мостовой схеме выпрямления ( рис. 10.38) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток / t, а другие два диода заперты.
 

Однофазная мостовая схема выпрямителя, работающего на нагрузку с емкостной реакцией.| Графики напряжений и токов в однофазной мостовой схеме, работающей на нагрузку с емкостной реакцией.

Таким образом, при работе однофазной мостовой схемы выпрямления на нагрузку с противоэдс имеются моменты, когда все четыре вентиля одновременно находятся под обратным напряжением.
 

Коммутация тока в однофазной мостовой схеме выпрямления.

Рассмотрим процесс коммутации на примере простой однофазной мостовой схемы выпрямления ( см. рис. 91) с учетом индуктивности обмоток трансформатора, полагая, что активные сопротивления вторичной обмотки трансформатора и прямые сопротивления вентилей равны нулю, а нагрузка обладает большой индуктивностью LB, при которой выпрямленный ток можно считать величиной постояной.
 

В этом случае из табл. 6.2 выбирается однофазная мостовая схема выпрямления при двух управляемых вентилях с индуктивной реакцией нагрузки.
 

Расчет цепей обратных связей практически сводится к расчету однофазной мостовой схемы выпрямления.
 

По заданным значениям тока / и напряжения Uo целесообразно выбрать однофазную мостовую схему выпрямления, которая обеспечивает хорошее использование трансформатора по току и позволяет выполнить его с наименьшими габаритами и весом.
 

Принцип действия

Принцип работы трехфазного выпрямителя

Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.

В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Рис. 1. Принцип работы диодного моста

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

• На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
• Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
• Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
• Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Рис. 2. Обозначение на схеме

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен  для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга

Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Однофазное полноволновое устройство

На рисунке показаны однофазный полноводной управляемый выпрямитель с нагрузкой R.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель позволяет преобразовывать однофазный AC в DC. Обычно это используется в различных приложениях, таких как зарядка аккумулятора, управление скоростью двигателей постоянного тока и передняя часть ИБП (источник бесперебойного питания) и SMPS (источник питания с переключаемым режимом).

Все четыре используемых устройства — тиристоры. Моменты включения этих устройств зависят от пусковых сигналов. Выключение происходит, когда ток через устройство достигает нуля, и он обратный смещён, по крайней мере, на длительность, равную времени выключения устройства, указанного в листе данных:

• В положительных полуциклических тиристорах T1 и T2 стреляют под углом α.
• Когда T1 & T2 проводит Vo = Vs IO = is = Vo / R = Vs / R.
• В отрицательном полупериоде входного напряжения SC3 T3 и T4 запускаются под углом (π + α).
• Здесь выходной ток и ток питания находятся в противоположном направлении. T3 & T4 отключается при 2π.

Работа мостовой схемы

Устройство состоит из четырех полупроводниковых вентилей, объединенных в мост. В таком случае вторичная обмотка трансформирующего устройства объединяется с противоположными плечами диодного моста. Нагрузочные резисторы подключат посредством других плеч. При этом выходные характеристики значительно выше, чем у двухпериодных, из-за течения через прибор всей волны напряжений переменного тока.

Во время положительной полуволны сигнал движется от отрицательной части вторичной обмотки трансформирующего устройства через вентили и нагрузочный резистор к положительной части совокупности витков трансформирующего устройства. При негативной полуволне процесс происходит в обратном порядке.