Выпрямительные схемы: от полуволновых к многофазным полноволновым

Что такое выпрямление?

Выпрямление — преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC) с помощью приборов, пропускающих ток только в одном направлении. Полупроводниковый диод — самый распространённый элемент для этой функции в современных блоках питания.

Полуволновое выпрямление

В полуволновом выпрямителе только одна полуволна каждого цикла AC достигает нагрузки, давая пульсирующий DC с значительным гармоническим содержимым. Эта простая топология полезна для низкоэнергетических или иллюстративных применений, например двухпозиционного диммера лампы, дающего полную мощность AC в положении «ярко» и полуволновую в «тускло» (см. рисунок).

В положении «тускло» нить накала получает примерно половину мощности от полного AC. Благодаря большой тепловой постоянной нити быстрые импульсы мощности не вызывают видимого мерцания; нить работает при более низкой стационарной температуре, давая меньший световой выход.

Полноволновые выпрямители

Полноволновые выпрямители захватывают обе полуволны цикла AC, выдавая более гладкий DC. Две распространённые конфигурации — со средней отпиской и мостовые.

Конфигурация со средней отпиской

Используя трансформатор со средней отпиской вторички и два диода, каждая половина вторички запитывает нагрузку в чередующихся полуциклах (см. рисунок). Эта топология требует специального трансформатора с средней отпиской, что может быть дорого для высоких мощностей.

Во время положительной полуволны проводит верхний диод, нижний блокируется; при отрицательной — роли меняются. В обоих случаях нагрузка видит волну положительной полярности.

Мостовая конфигурация

Четырёхдиодный мост устраняет необходимость в трансформаторе со средней отпиской. Ток течёт через два диода последовательно для каждой полярности, давая падение 1,4 В для кремниевых диодов — недостаток при очень низких выходных напряжениях.

Направления токов диодов для положительных и отрицательных полуволн входа показаны ниже.

Для лучшего запоминания альтернативная компоновка изображает все диоды горизонтально, все указывающие в одну сторону.

Многофазные полноволновые мостовые выпрямители

Расширение мостовой концепции на многофазное питание даёт более гладкий DC, так как фазово сдвинутые импульсы перекрываются. Трёхфазный мост даёт шесть импульсов за цикл AC; шестифазный — двенадцать, значительно снижая пульсации напряжения.

Пульсации напряжения (Ripple)

Все выпрямители производят некоторую AC составляющую — пульсации напряжения — над DC выходом. В высокомощных или прецизионных применениях фильтрующие сети подавляют эти пульсации.

Соглашения об импульсах

Выпрямители часто описывают числом DC импульсов на электрический оборот: 1-импульс (полуволна), 2-импульс (полноволна), 6-импульс (трёхфазный полноволновой) и так далее. Стандартная нотация 1Ph1W1P, 1Ph1W2P, 1Ph2W2P, 3Ph2W6P и т.д. лаконично фиксирует фазы, направление тока и число импульсов.

Более шести импульсов: 12-импульсные конфигурации

Используя трансформаторы со сдвигом фаз 30° (звезда-треугольник или треугольник-звезда), два трёхфазных моста можно параллелить для 12 импульсов за цикл, ещё больше снижая пульсации. Эта техника распространена в крупных промышленных блоках питания.

Ключевые выводы

• Выпрямление преобразует AC в DC с помощью приборов, допускающих однонаправленный ток.
• Полуволновые выпрямители просты, но дают сильно пульсирующий DC.
• Полноволновые — со средней отпиской или мостовые — выдают более гладкий DC, подходят для большинства блоков питания.
• Многофазное выпрямление даёт ещё более гладкий DC с низкими пульсациями, выгодно для высокомощных, низкошумных применений.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Выпрямляющие диоды