Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Источник переменного тока внутри радиосхем

В подавляющем большинстве случаев внутри схем присутствует постоянный ток. Обычно на входе в любое устройство переменный ток, поступающий из общей сети, проходит выпрямление. Однако в редких случаях может потребоваться наличие переменного тока внутри устройства. Тогда используется специальная схема. Пример одной из них представлен на рисунке ниже.

Принцип работы такой схемы построен на применении обратной связи и использовании регулятора напряжения. Ток нагрузки может протекать как в одном, так и в другом направлении. Выходной ток находится в промежутке от −10 мА до +10 мА. На вход подается напряжение −10 В или +10 В.

Правильный подбор резисторов R1,…,R6 позволяет снизить погрешность выходных параметров. Операционный усилитель должен быть рассчитан на малые токи смещения и выходные токи. Транзисторы VT1 и VT2 можно брать такие, которые рассчитаны на напряжение на коллекторе до 30 В и силу тока 20–150 мА.

Увидеть обозначение источника переменного тока на схеме с подключенной нагрузкой можно на картинке ниже, где изображено устройство для защиты от перенапряжения:

Но как же переменный ток попадает в наши квартиры, типовую схему подключения жилого дома можно увидеть на схеме ниже:

Метод узловых (потенциалов) напряжений

ТОЭ › Методы расчета цепей постоянного тока

При изучении основ электротехники приходится сталкиваться с необходимостью расчета тех или иных параметров различных схем. И самое простое, что приходится делать – это расчет токов ветвей в цепях постоянного тока.

Существует несколько наиболее применяемых методов расчетов для таких цепей: с помощью законов Кирхгофа, методом контурных токов, узловых потенциалов, методом эквивалентного генератора, эквивалентного источника тока, методом наложения. Для расчета более сложных цепей, например, в нелинейных схемах, могут применяться метод аппроксимации, графические методы и другие. В данном разделе рассмотрим один из методов определения токов в цепи постоянного тока – метод узловых потенциалов.

Важно отличать метод узловых напряжений (потенциалов) от метода узлового напряжения (метод двух узлов)

Метод узловых потенциалов примеры решения задач

Для того, чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим конкретный пример схемы, показанной на рис.1.

Рис.1. Схема постоянного тока

Для начала обозначают направления токов в ветвях. Направление можно выбирать любым. Если в результате вычислений какой-то из токов получится с отрицательным значением, значит, его направление в действительности будет направлено в противоположную сторону относительно ранее обозначенного. Если в ветви имеется источник, то для удобства лучше обозначить направление тока в этой ветви совпадающим с направлением источника в этой ветви, хотя и не обязательно. Далее один из узлов схемы заземляем. Заземленный узел будет называться опорным, или базисным. Такой метод заземления на общее токораспределение в схеме влияния не оказывает.

Какой именно узел заземлять, значения не имеет. Заземлим, например, узел 4 φ4 = 0.

Каждый из этих узлов будет обладать своим значением потенциала относительно узла 4. Именно значения этих потенциалов для дальнейшего определения токов и находят. Соответственно, для удобства этим потенциалам присваивают номера в соответствии с номером узла, т.е. φ1, φ2, φ3. Далее составляется система уравнений для оставшихся узлов 1, 2, 3.

В общем виде система имеет вид:

Использованные в этой системе уравнений буквенно-цифровые обозначения

имеют следующий смысл:

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 1. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 2. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 3. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 2, взятая со знаком «минус». Для этого единица и взята с отрицательным знаком:

– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 3, взятая со знаком «минус». Для этого единица и в этом случае взята с отрицательным знаком:

Аналогично находятся и остальные проводимости:

J11 – узловой ток узла 1, в котором участвуют ветви, подходящие именно к этому узлу, и содержащие в своем составе ЭДС. При этом, если ЭДС ветви, входящий в узел, направлена к рассматриваемому узлу (в данном случае к узлу 1), то такой узловой ток записывается с плюсом, если от узла, то с минусом. В данном случае

Аналогично

В результате всех ранее приведенных вычисленных значений исходная система уравнений примет вид:

Решать данную систему можно всеми доступными методами, мы же для упрощения решим ее в пакете Mathcad:

В результате получены следующие значения потенциалов в узлах цепи:

Токи в ветвях находятся в соответствии с законом Ома. Поясним это простыми словами.

В ветви с сопротивлением и источником, учитывая ранее обозначенное направление тока в рассматриваемой ветви, необходимо из потенциала узла, находящегося у начала стрелки направления тока, вычесть потенциал узла, находящегося у конца стрелки направления тока, а затем прибавить значение ЭДС в этой ветви. Далее все это разделить на сопротивление, имеющееся в ветви. Если бы ток и ЭДС в рассматриваемой ветви не совпадали по направлению, тогда значение ЭДС вычиталось. В ветви без ЭДС действует то же самое правило, только ЭДС в числителе, разумеется, отсутствует. В нашем примере получим, что

Значение тока первой ветви, как видно из расчета, получилось отрицательным. Значит, в действительности, этот ток направлен в противоположную сторону относительно его обозначенного направления на рис.1.

Правильность расчетов можно проверить, например, составлением баланса мощностей либо, к примеру, моделированием, схемы. Выполним моделирование в программе Multisim.

Рис.2. Моделирование в Multisim

Как видим, результаты моделирования совпадают с расчетными значениями. Незначительная разница в тысячных долях из-за округлений промежуточных вычислений.

Как элементы электрической цепи обозначают на схемах

Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.

Рис. 6. Пример цепи и ее электрической схемы

Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.

На рисунке 7 приведены обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.

Рис. 7. Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:

• гальваническую батарею GB или B. В качестве источника тока для компактных электронных устройств часто применяют аккумуляторы, или батарейки;
• выключатель – SA, кнопка — SB; Для кнопок и выключателей иногда используют только одну букву S;
• проводник, обладающий сопротивлением – R;
• соединительные клеммы — буквами XT;
• символом FU — плавкий предохранитель. Он служит для защиты схемы и из строя первым, как только ток превысит определенный порог, указанный на таком предохранителе;
• нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — символом EK;
• лампу накаливания – HL или HA;
• разъем вилка-розетка – XS;
• электродвигатель постоянного тока – M;
• электромеханический звонок – HA.

Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).

Рис. 8. Для нескольких одинаковых элементов цепи применяют цифровую нумерацию

Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.

Примечание: В Северной Америке и Японии графические обозначения некоторых элементов отличаются.

Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.

Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами (рис. 9).

Рис. 9. Элементы цепи можно передвигать по схеме, если это не нарушает соединений

История открытия переменного тока

Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.

Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природныедвух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:

1. Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
2. Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.

Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.

Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.

Никола Тесла изучал электрические машины

Основные методы расчета электрических цепей постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока можно рассчитать с применением одного из следующих способов:

• с использованием законов Ома и Кирхгофа;
• методом контурных токов;
• с использованием эквивалентных преобразований;
• методом наложения.

Рассмотрим каждый из способов.

Законы Ома и Кирхгофа находят широкое применение в физике, в частности при расчете электрических цепей. При этом в цепи выделяют отдельные контуры и выбирают направление их обхода. Далее записывают уравнения законов Кирхгофа.

По первому закону сумма токов, входящих и выходящих из узла, равна нулю.

Всего составляют (n-1) уравнений, где n — количество узлов в цепи.

Знаки токов выбирают из следующего условия: токи, входящие в узел, имеют знак «+», токи, выходящие из узла, — знак «–».

Затем записывают уравнения по второму закону Кирхгофа. Напряжения выражают через силу тока и сопротивление согласно закону Ома для участка цепи. При этом ЭДС и ток считают положительными, если их направления совпадают с направлением обхода контура.

После составления системы уравнений выполняют подсчет токов, протекающих в цепи. Для самостоятельной проверки выполненной работы составляют баланс мощностей цепи.

Метод контурных токов может значительно упростить расчет токов в цепи. В этом случае принимают, что в каждом контуре протекает свой ток. На основании этого предположения записывают токи в ветвях через контурные токи, как это показано на следующем примере. Токи в смежных ветвях находят как сумму соседних контурных токов с учетом их направлений.

Затем записывают уравнения по второму закону Кирхгофа. В уравнения токи в ветвях записывают в виде суммы контурных токов. Таким образом, неизвестными параметрами становятся контурные токи, вычислив которые, определяют ток в каждой ветви цепи.

Эквивалентное преобразование используют в цепях с одним источником и несколькими приемниками. Преобразование заключается в том, что параллельно или последовательно соединенные резисторы можно заменить одним. Происходит «свертывание» цепи к более простой.

При замене сопротивлений на эквивалентное необходимо учитывать, что сила тока и напряжение должны оставаться неизменными, то есть I=Iэкв и U=Uэкв. Для этого используют следующие свойства последовательного соединения:

и параллельного соединения:

Метод наложения применяют только для линейных электрических цепей. При использовании этого метода цепь делится на несколько составных схем, в каждой из которых оставляют только один источник энергии.

Количество таких схем определяют как сумму числа источников тока и напряжения. Источники напряжения заменяют короткозамкнутой перемычкой, а источник тока — разрывом цепи.

Токи в составных цепях вычисляют любым возможным способом, затем находят токи в ветвях исходной цепи как сумму найденных составных токов. При суммировании составных токов необходимо учитывать их знаки.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

1. Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
3. При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
4. Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
5. Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

Чем обосновано разнообразие электротоков

У многих может возникнуть вполне обоснованный вопрос – зачем использовать такое разнообразие электротоков, если можно выбрать один и сделать его стандартным? Все дело в том, что не каждый вид электротока подходит для решения той или иной задачи.

В качестве примера приведем условия, при которых использовать постоянное напряжение будет не только не выгодно, ни и иногда невозможно:

• задача передачи напряжения на расстояния проще реализовывается для переменного напряжения;
• преобразовать постоянный электроток для разнородных электроцепей, у которых неопределенный уровень потребления, практически невозможно;
• поддерживать необходимый уровень напряжения в цепях постоянного электротока значительно сложнее и дороже, чем переменного;
• двигатели для переменного напряжения конструктивно проще и дешевле, чем для постоянного. В данном пункте необходимо заметить, что у таких двигателей (асинхронных) высокий уровень пускового тока, что не позволяет их использовать для решения определенных задач.

Теперь приведем примеры задач, где более целесообразно использовать постоянное напряжение:

• чтобы изменить скорость вращения асинхронных двигателей требуется, изменить частоту питающей электросети, что требует сложного оборудования. Для двигателей, работающих от постоянного электротока, достаточно изменить напряжение питания. Именно поэтому в электротранспорте устанавливают именно их;
• питание электронных схем, гальванического оборудования и многих других устройств также осуществляется постоянным электротоком;
• постоянное напряжение значительно безопаснее для человека, чем переменное.

Исходя из перечисленных выше примеров, возникает необходимость в использовании различных видов напряжения.

Разновидности диодов

Основным элементом выпрямляющего диода является полупроводник. Чаще всего в качестве него применяется кристалл кремния или германия. Кремневые диоды используются чаще, чем германиевые. Это связано с тем, что последние отличаются более высокой величиной обратных токов, что существенно ограничивает допустимую величину обратного напряжения. Для германиевых полупроводников этот показатель не превышает 400 Вольт. У кремниевых диодов максимальное обратное напряжение может достигать 1500 Вольт.

Кроме того, кремниевые полупроводники отличаются более высокой рабочей температурой. Но с этим достоинством связан и существенный минус данных радиоэлементов. Если обратное напряжение приводит к их пробою, то он носит тепловой характер. Это означает, что пробитый кремниевый выпрямитель практически всегда необходимо заменять новым.

Преимуществом германиевых считается небольшое падение напряжения при прямом электротоке.

В зависимости от технологии изготовления полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Первые состоят из небольшой пластины n-типа и стальной иглы, создающей в месте контакта p-n переход. Основными конструктивными элементами плоскостных полупроводниковых диодов являются две соединенные вместе пластины разной электропроводности.

Максимально допустимый прямой ток определяет мощность выпрямительных диодов. Исходя из этой характеристики, их принято делить на:

• Слаботочные. Они отличаются небольшими габаритами и малым весом. Выпускаются преимущественно в пластмассовых корпусах. Выпрямляемый ток не превышает 0.3 Ампер.
• Диоды средней мощности. Их корпуса изготавливаются из металла, а на одном из выводов (катоде) присутствует резьба, с помощью которой радиоэлемент можно надежно зафиксировать на радиаторе, используемом для отвода тепла. Способны выпрямлять переменный ток от 0.3 до 10 Ампер.
• Силовые полупроводниковые выпрямители. Рассчитаны на прямой ток, превышающий 10 А. Выпускаются в металлокерамических или металлостеклянных корпусах таблеточного или штыревого типа.

Существуют еще такие разновидности выпрямительных диодов, как:

• Импульсные. Их используют в маломощных электронных схемах. Главной их особенностью является небольшое время, затрачиваемое на переход от закрытого состояния к открытому, и наоборот. Это примерно 100 мкс.
• Обращенные. При обратном включении они оказывают небольшое сопротивление проходящему току и намного большее при прямом включении. Обращенные диоды предназначены в основном для  выпрямления небольших сигналов с амплитудой напряжения не более 1 Вольта.
• Выпрямители Шоттки. Они отличаются небольшим сопротивлением, поэтому используются для выпрямления значительных токов, достигающих десятки ампер. Внутри выпрямителей Шоттки не накапливается тепловая энергия, поэтому отсутствует и рассасывание неосновных носителей электрозарядов.
• Стабилитроны. Способны сохранять все свои рабочие характеристики даже в режиме электрического пробоя. За рубежом их называют диодами Зенера.
• Диодный мост. Данная схема собирается из четырех элементов. Используется с целью улучшения качества преобразования переменного тока в постоянный. Отличается тем, что способен пропускать ток на протяжении каждого полупериода. Мосты выпускаются в виде устройства, заключенного в корпус из пластика.

Все виды выпрямительных диодов отличаются внешним видом, но их выбор упрощает соответствующее обозначение, нанесенное на корпус. Каталоги с маркировкой и УГО данных полупроводниковых элементов представлены в специальном справочнике. Следует отметить, что маркировка импортных диодов отличается от отечественных. Буквенно-цифровое обозначение отечественных диодов регламентирует ОСТ 11366.919-81. Расшифровка маркировки согласно этому документу представлена на рисунке ниже.

Следовательно, если на корпусе имеется маркировка КД202А, то это будет кремниевый выпрямительный диод средней мощности исполнения А.

Существуют требования и относительно условных графических изображений диодов на схемах.

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Активная, реактивная и полная мощность. Что это такое, на примере наглядной аналогии.

Что такое активная и реактивная электроэнергия, мощность

Как найти реактивную мощность

Активное и реактивное сопротивление

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Активное и индуктивное сопротивление кабелей – таблица

Онлайн калькулятор расчета тока по мощности