Незважаючи на широке застосування і триваюче зростання різних систем змінного струму, залишається потреба в постійному струмі в таких областях, як електрохімія, двигуни з регульованою швидкістю обертання і тягові двигуни засобів транспорту Хоча ещеДжордж Вестінгауз (George Westinghouse) демонстрував свої тягові двигуни змінного струму, вони працювали на частоті 25 Гц, а ніяк не на частоті 60 Гц, переважно використовуваної в споживчих мережах В даний час навіть у Нью-Йоркському метрополітені, хоча частота 25 Гц і використовується для передачі енергії, харчування тягових двигунів здійснюється постійним струмом, що отримуються за допомогою роторних перетворювачів У цій главі будуть розглянуті питання перетворення змінного струму в постійний Терміни випрямляч і перетворювач часто використовуються як синоніми, проте в даний час випрямляч частіше позначає некеровану систему перетворення змінного струму в постійний, а перетворювач – керовану

Випрямлячі в «давнини»

Роторні перетворювачі використовувалися для отримання постійного струму із змінного з частотою 25 Гц з самих ранніх років розвитку електротехніки Навіть у генераторних установках електростанції на Ніагарському водоспаді у звязку з відсутністю в ті часи техніки перетворення в постійний струм змінного струму більш високої частоти (60 Гц) була обрана частота 25 Гц Пізніше, після появи відповідного випрямного обладнання, роторні перетворювачі були витіснені у віддалені райони для забезпечення харчування тролейбусних мереж А загалом незграбні обертові перетворювачі проіснували понад півстоліття

Випрямлячі на окису міді використовувалися колись у маленьких блоках харчування, що застосовувалися для зарядки акумуляторів і у вимірювальних приладах Проте їх низька ефективність і малий рівень робочих напруг не дозволяли застосовувати ці випрямлячі в силовий електротехніці Пізніше, з розробкою селенових випрямлячів, була досягнута щільність струму 1 А / дюйм2 (155 мА / см2) При напрузі до 30 В Ці випрямлячі допускали паралельне і послідовне зєднання без будь-якого підбору по струму або напрузі Хоча ці випрямлячі вельми громіздкі і не дуже-то ефективні, вони були популярні протягом багатьох років і застосовувалися всюди – від радіоі телевізійних приймачів до зварювальних апаратів та інших промислових пристроїв У вигляді високовольтних зборок вони використовувалися в електростатичних пиловловлювачах

Зовсім іншими приладами були вакуумні лампи та ртутні випрямлячі І ті, й інші можна було застосовувати для випрямлення високих напруг Вакуумні лампи мали досить велике пряме падіння напруги, але цілком підходили для радіоприймачів тих днів, в яких були потрібні напруги і струми до декількох сотень вольт і міліампер У цих областях застосування ефективність не грала істотної ролі, але занадто великі втрати не дозволяли використовувати вакуумні лампи у сфері великих потужностей Найбільш широко вакуумні діоди застосовувалися в випрямлячах анодної напруги для електронно-променевих трубок в телевізорах

Ртутні випрямлячі

Ртутний випрямляч являє собою ту ж вакуумну лампу, але з наповненням парами ртуті низького тиску Для випаровування ртуті використовувалася нитка розжарювання (катод) Пряме падіння напруги становило близько 15 В, а діапазон робочих напруг сягав кількох десятків кіловольт Ці випрямлячі широко застосовувалися, наприклад, в блоках харчування радіопередавачів з потужністю до 1 МВт при напрузі 5 .. 15 кВ

Найбільші ртутні випрямлячі мали металоскляний корпус і були забезпечені декількома анодами і ємністю для рідкої ртуті Вони використовувалися з трансформаторної ланцюгом, організованої за схемою подвійний зірки, що забезпечувало отримання великих струмів для потреб електрохімії та металообробки Ртутні випрямлячі застосовувалися також на алюмінієвих заводах і при виробництві хлору Для випаровування ртуті використовувався спеціальний електрод, а тиск підтримувався вакуумним насосом

У більш пізніх конструкціях випрямлячів на великі струми використовувався герметичний металоскляний корпус і додатковий електрод поджига розряду, що по суті перетворювало цей прилад в керований ключ Під торговою назвою ігнітрони (Ignitron ®) вони отримали дуже широке поширення і були основою випрямної техніки аж до розробки напівпровідникової технології в середині 20-го століття

Кремнієві діоди – століття напівпровідників

Всім нам добре відомі кремнієві діоди виросли з точкового германиевого транзистора, розробленого Браттейном (Brattain) і Бардіним (Bardeen) в «Белл Лабораторіез» (Bell Laboratories) в 1947 р У Надалі були створені сплавні р-я-переходи, збільшена навантажувальна здатність по струму, а кремній замінив германій У 1960 р кремнієві діоди застосовувалися вже дуже широко Хоча технологія і дозволяла виготовляти германієві випрямні діоди, що мали велику площу, їх застосування обмежувалося поганими температурними характеристиками

Перевага кремнієвих діодів полягає в тому, що вони здатні працювати при температурі р-і-переходу до 200 ° С І хоча пряме падіння напруги в кремнієвих діодах більше, ніж у германієвих, їхні кращі температурні характеристики дозволяють їм працювати при великій щільності потужності На перших порах кремнієві діоди представляли собою кристал, припаяний до мідного основи, яке використовувалося і для монтажу, і в якості одного з висновків Другий висновок виконувався проводом, припаяним з іншого боку кристала і виходив назовні через шар ізоляції

Із збільшенням потужностей і розмірів кремнієвих діодів зявилася проблема руйнування паяних зєднання кристал-підстава при термоциклов, супроводжуючих включення і виключення випрямляча Одним з рішень цієї проблеми було введення проміжного металевого шару між кристалом і підставою, що мав температурний коефіцієнт розширення, близький до такого у кремнію Зазвичай для цього використовувався вольфрам або молібден У найбільших діодах в даний час кристал просто щільно притиснутий пружиною до основи

Однофазні випрямні схеми

Схема найпростішого однополупериодного випрямляча наведена на Рис 91 Ця схема часто застосовується в малопотужних випрямлячах, що працюють прямо від мережі змінного струму Вона здатна працювати як з активною, так і з ємнісний навантаженням Однополуперіодний споживає з мережі постійний струм і парні гармоніки струму мережевої частоти, на додаток до непарних гармоникам, характерним для більшості нелінійних навантажень При харчуванні однополупериодного випрямляча через трансформатор постійна складова споживаного струму здатна викликати насичення сердечника, але якщо використовувати сердечник з зазором, то цієї неприємності можна уникнути

Рис 91 Однополуперіодний і його поведінку в різних умовах

Для зменшення пульсацій напруги при використанні однополупериодного випрямляча часто застосовують конденсаторні фільтри При ємнісний навантаженні зменшується період, протягом якого струм надходить з мережі (див Рис 91) При цьому зміст високочастотних гармонік в споживаної струмі збільшується, а коефіцієнт потужності (Р ^ Г) зменшується Сам випрямний діод в цій схемі піддається впливу зворотної напруги, рівного напрузі на конденсаторі плюс пікове вхідну напругу Внаслідок того що конденсатор зазвичай заряджається майже до пікового вхідної напруги, діод слід вибирати із зворотним напругою не менше подвоєного пікового вхідної напруги

Хоча однополуперіодні випрямлячі і широко застосовуються в імпульсних джерелах живлення, де погана форма споживаного струму не створює будь-яких проблем, в деяких випадках, наприклад у вузлах обробки даних, можуть виникати неприємності Для цих випрямлячів в струмі споживання характерний високий вміст гармонік, кратних третій – 3, 6, 9, 12, 15 … Ці струми складаються в нейтральному проводі трифазного ланцюга живлення, так що струм нейтрального проводу може перевищити струм фазного проводу в 2 рази При цьому необхідно використовувати нейтральний провід істотно більшого перерізу, ніж зазвичай Відповідно з IEEE 519 не допускається використання обладнання з постійною складовою струму з споживчої мережі Однак при використанні трансформаторів, через які ця компонента струму не проходить, однополуперіодні випрямлячі знаходять застосування

На Рис 92 наведена схема двухполупериодного випрямляча У часи вакуумних ламп, коли обидва діода вдавалося помістити в одну лампу, ця схема широко застосовувалася в радіоприймачах А ще вона підходить для низьковольтних випрямлячів, адже в ній послідовно з навантаженням включений тільки один діод Однак ці найпростіші випрямлячі все частіше замінюють імпульсними перетворювачами, в яких використання високої робочої частоти дозволяє застосовувати маленькі і легкі трансформатори Імпульсні перетворювачі будуть описані в гл 13

Рис 92 ЕФС і його струми і напруги в різних точках

схеми

Кожен з діодів в цій схемі проводить струм тільки протягом половини періоду вхідного напруги, а його середньоквадратичне значення становить 50% від повного струму При напрузі на первинній обмотці, рівному 1 BRMS, І при напружених на кожній половині вторинної обмотці теж

1               BRMS, На навантаженні 1 Ом струм у кожному плечі складе 0707 ARMs а в первинній обмотці – 1 ARMsТрансформатор повинен бути розрахований на потужність 10 BA з первинної ланцюга плюс кожна з вторинних обмоток повинна бути на 0707 BA Таким чином, при загальному розрахунку трансформатора слід враховувати його потужність, рівну (1 + 0707 + 0707) / 2 = 1207 BA Так що його розмір для цієї схеми повинен бути на 20% більше, ніж без випрямляча

На Рис 93 приведена широко відома мостова схема У ній трансформатор використовується краще, ніж в двохполуперіодній схемою, так як в обох обмотках струм має синусоїдальну форму У бруківці схемою послідовно з навантаженням включено два діоди, тому втрати в діодах в

2 рази більше, ніж у двохполуперіодній схемою Однак втрати в трансформаторі менше за рахунок меншого збудження гармонік В даний час широко поширені збірки з двох і чотирьох діодів для цих схем випрямлячів

Рис 93 Однофазниймостовой випрямляч і його струми і напруги в різних точках схеми

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)