Теоретическая часть. Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное)

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное). Среднее значение (постоянная составляющая) этого постоянного напряжения используется потребите­лем. Наличие переменных составляющих (пульсаций) в результате преобразования неизбежно. Различными мерами пульсации могут быть уменьшены до любых малых значений. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров.

Рассматриваемые в работе схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Они обеспечивают постоянным напряжением питание электромашинных механизмов, технологических процессов, электронных устройств. Знание свойств источников питания необходимо специалисту для грамотной их эксплуатации.

Основной элемент схем выпрямления – диод. Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются р-п- переходом, образованным между двумя кристаллами полупровод­никового материала с различными типами проводимостей.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода, например 2Д504А, изображена на рис. 1.1.

Основными параметрами диодов являются максимальное допустимое значение тока в прямом направлении I ПР max и максимальное допустимое значение обратного напряжения U ОБРдоп . При протекании через диод номинального тока в прямом направлении падение напряжения не превышает одного вольта. Приложенное к диоду обратное напряжение вызовет обратный ток величиной от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

Рис. 1.1 . Вольтамперная характеристика
полупроводникового диода 2Д504А

В блоках питания выпрямители подключаются к выходным обмоткам понижающих трансформаторов, входные обмотки которых подключены к источнику синусоидального напряжения u 1 (t) = U 1 m sin ωt , как показано на рис. 1.2. Такие схемы выпрямления имеют следующие основные параметры:

– u 2 (t) = U 2 m sin ωt = U 2 sin ωt – мгновенное значение напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U 2 – действующее значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U 2 m – амплитудное значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U d – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения U CP );

– U ~ m – размах пульсации выходного напряжения выпрямителя.

При выпрямлении однофазного переменного тока простей­шими схемами выпрямления являются одно- и двухполупериодныеоднофазные схемы. Однополупериодными выпрямителями являются та­кие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в про­цессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухполупериодныхвыпрямителях – в обоих направле­ниях.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 1.2. Ток через нагрузку протекает в течение одного полу­периода сетевого напряжения. Диаграммы напряжений показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Рис. 1.3 . Диаграммы напряжений

Исходя из приведенных выше определений основные параметры выпрямителя:

– среднее значение тока диода

где I 2 m – амплитудное значение тока выходной обмотки трансформатора;

– максимальное обратное напряжение на диоде

Выпрямленное напряжение u d содержит постоянную составля­ю­щую U d и переменную составляющую u d ~ , представляющую собой сумму высших гармонических составляющих. Разложение в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения u d позволяет определить коэффициенты этого ряда.

Постоянная составляющая

U d – функция четная, кроме основной имеет четные гармоники.

Амплитуда гармонической составляющей порядка n = 2, 4, 6, …

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации, представляющим собой отношение размаха переменной состав­ляющей к среднему значению выпрямленного напряжения. Для схемы однополупериодного выпрямления коэффициент пульсаций

При выборе диода для схемы однополупериодного однофазного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое обратное напряжение диода было больше амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (U обр max ≥ U 2 m ) (рис. 1.3).

К недостатку однополупериодного выпрямителя относится присутствие постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через транс­форматор (рис. 1.2), то постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры. Также к недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напря­жения. Выпрямители подобного типа при­меняют, главным образом, в специальных маломощных установках.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4 . Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Напряжения и 21 и и 22 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидаль­ных напряжения и 2 , сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180°. Диоды проводят ток поочередно в течение полупериода. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 1.5.

Основные параметры выпрямителя исходя из приведенных выше определений:

– среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двух­­полупериодной схеме в два раза больше по сравнению с предыдущей однополупериодной схемой выпрямления:

– среднее значение тока диода

В кривой выпрямленного напряжения ярко выражена вторая (n = 2) гармоническая составляющая с частотой f = 100 Гц (при f с = 50 Гц). Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

(1.2)

Напряжение, приложенное к закрытым диодам, рав­но разности потенциалов между выводами полной вторичной обмотки трансформатора и 2 , состоящей из двух частей, т. е. и 21 + и 22 = и 2 (рис. 1.4).

В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего постоянное подмагничивание сердечника отсутствует.

Рис. 1.5. Диаграммы напряжений и токов

Однофазный мостовой выпрямитель имеет наибольшее распростране­ние. В блоках питания данные выпрямители часто используются без трансфор­маторов, с подключением непосредственно к сетевому напряжению. Схема однофазного мостового вып­рямителя представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема однофазного мостового выпрямителя

Диоды проводят ток попарно: VD1 , VD4 – в течение одного полупериода, а VD2 , VD3 – в течение другого полупериода питающего напряжения. Основные параметры выпрямителя следующие:

– среднее значение выпрямленного напряжения

– среднее значение тока диода

– максимальное обратное напряжение на диодах

Рассматриваемая схема относится к двухполупериодной схеме выпрямления. Коэффициент пульсации на выходе вы­прямителя

(1.4)

Амплитуда обратного напряжения U ОБР max при одинаковом выпрямленном напряжении U d в выпрямителе по мостовой схеме выпрямления (рис. 1.6) в два раза меньше, чем в вы­прямителе по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4). Такая схема выпрямления позволяет получить заданное вы­прямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора вдвое меньшем, чем в двухполупе­риодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4) при прочих равных ус­ловиях. Данное обстоятельство приводит к снижению массогабаритной мощности трансформатора.

Диаграммы напряжений и токов данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Диаграммы напряжений и токов мостового выпрямителя

Разновидностью мостовой схемы выпрямителя является мостовая схема со средней общей точкой, как в схеме выпрямителя на рис. 1.4.
При наличии вывода от середины вторичной обмотки трансформатора выпрямитель имеет два выходных напряжения. Первый выход – это напряжение между положительной клеммой выпрямителя и средней точкой, второй выход – между отрицательной клеммой и средней точкой. При соединении средней точки обмотки с общим проводом получается два источника симметричных разнополярных напряжений. Такие источни­ки постоянных напряжений при наличии сглаживающих фильтров при­меня­ются для питания аналоговых операционных усилителей (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Мостовая схема выпрямления со средней точкой

Схема выпрямления с умножением напряжения позволяет получить высокие значения выпрямленного напряжения без исполь­зования вы­соковольтных трансформато­ров. Наибольшее распространение на практике получили однофазные схемы выпрямления с удвоением напряжения (рис. 1.9).

Принцип действия такой схемы заклю­чается в зарядке каждого из последовательно соединенных конденса­торов через свою группу диодов от выходной обмотки транс­форматора. Выходное напряжение выпрямителя при этом равно сумме напряжений на всех конденсаторах и может в несколько раз превышать амплитуду напряжения выходной обмотки трансформатора

u ВЫХ = u Н = u C1 + u C2 » 2u 2m .

Диаграммы напряжений данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.10.

Рис. 1.9. Однофазные схемы выпрямления Рис. 1.10 . Диаграмы напряжений

с удвоением напряжения выпрямителя с удвоением напряжения

Все рассмотренные выше схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений
К п = 0,002–0,02. Если потребитель постоянного напряжения предъявляет повышенные требования к ограничению пульсаций, то для их уменьшения применяются фильтры. Простейшими фильтрами являются емкостный и индуктивный.

Емкостный фильтр образуется конденсатором, подключенным к выходным клеммам выпрямителя, т. е. параллельно нагрузке (рис. 1.11).
При использовании простейшего емкостного фильтра сгла­живание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происхо­дит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра С Ф и последующей его разрядки на сопротивле­ние нагрузки R Н с постоянной времени разряда t РАЗР = С Ф R Н.

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной состав­ляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Следует отметить, что емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока. Процессы изменения напряжения на конденсаторе и токов в цепях представлены на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема выпрямления с емкостным фильтром
и процессы изменения напряжений и токов

Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.

При включении емкостного фильтра в выпрямителе напряжение u H не уменьшается до нуля, увеличивая сред­нее значение выпрямленного напряжения по сравнению с выпрямителем без фильтра. При этом к закрытому диоду приложено напряжение U ОБР max , зна­чение которого может приближаться к удвоенному значению U 2 m .

Емкость конденсатора С Ф выбирают такой, чтобы выполня­лось соотношение

t РАЗР = С Ф R Н >> Т ,

где Т = 1 / f осн – период основной гармоники.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильт­ром умень­шается. Емко­стный фильтр для сглаживания пульсаций целесооб­разно применять с высокоомным нагрузочным сопротивлением R Н при мощности Р Н не более нескольких десятков Ватт.

Если требуется более высокий коэффициент сглаживания, то прибегают к сложным сглаживающим фильтрам. К ним отно­сятся Г - и П -об­раз­ные фильтры LC- и RС -типов.

Ток через диоды при наличии конденсатора на выходе выпрямителя протекает короткими импульсами. При выборе диодов только по среднему значению тока в р-п- переходе могут возникать опасные локальные перегревы.

В качестве индуктивного фильтра используют катушку с ферро­магнитным сердечником, называемую дросселем. Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки. Индуктивность дросселя приводит к уменьшению пульсаций за счет индуктивного сопротивления его обмотки.

Внешняя характеристика выпрямителя отражает динамику изменения выходного напряжения выпрямителя в зависимости от изменения тока нагрузки. При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра (рис. 1.12). Наклон внешней характеристики при том или ином токе I ср характеризуется выходным сопро­тивлением R ВЫХ, которое определяется выражением

I ср – заданный.

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тока тем, что он хорошо поддается трансформированию, т. е. преобразованию тока относительно высокого напряжения в ток более низкого напряжения, или наоборот. Трансформаторы позволяют передавать переменный ток по проводам на большие расстояния с малыми потерями энергии. Для этого переменное напряжение, вырабатываемое на электростанциях генераторами, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и «посылают» по линиям электропередачи (ЛЭП) в различных направлениях. С повышением напряжения уменьшается сила тока в ЛЭП при одной и той же передаваемой мощности, что и приводит к снижению потерь и позволяет применять провода меньшего сечения. В городах и селах на расстоянии сотен и тысяч километров от электростанций это напряжение понижают трансформаторами до более низкого, которым и питают лампочки освещения, электродвигатели и другие электрические приборы.

Трансформаторы широко применяют и в радиотехнике.

Схематическое устройство простейшего трансформатора показано на рис. 1. Он состоит из двух катушек из изолированного провода, называемых обмотками? насаженных на магнитопровод, собранный из пластин специальной, так называемой трансформаторной стали. Обмотки трансформатора изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопровод - линией между ними.

Рис. 1.Трансформатор с магнитопроводом из стали:
а - устройство в упрощенном виде; б - схематическое изображение

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, текущий по одной из обмоток трансформатора, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора, индуцируя в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить какую-либо нагрузку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток - лампа станет гореть.

Обмотку, к которой подводится переменное напряжение, предназначаемое для трансформирования, называют первичной , а обмотку, в которой индуцируется переменное напряжение - вторичной .

Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке приблизительно равно напряжению, подведенному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее меньше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подводимого к первичной обмотке. В первом случае трансформатор будет понижать, во втором повышать переменное напряжение.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно довольно точно подсчитать по отношению чисел витков обмоток трансформатора: во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение на ней будет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первичной обмотке. Так, например, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив первую обмотку в сеть переменного тока с напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В - это повышающий трансформатор. Если же напряжение 220 В подвести к обмотке, имеющей 2000 витков, то в обмотке, содержащей 1000 витков, мы получим напряжение 110 В - это понижающий трансформатор. Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае - первичной.

Но, пользуясь трансформатором, не стоит забывать о том, что мощность тока (Р = U·I), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая напряжение и уменьшая ток, либо потребляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение мы проигрываем в значении тока, а выигрывая в значении тока, обязательно проигрываем в напряжении.

Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто используют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков. С помощью таких трансформаторов, называемых сетевыми, или трансформаторами питания, получают несколько напряжений, питающих разные цепи.

Наибольшая мощность тока, которая может быть трансформирована, зависит от размера магнитопровода трансформатора и диаметра провода, из которого выполнены обмотки. Чем больше объем магнитопровода, тем большая мощность тока может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно теряется часть мощности. Поэтому мощность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой первичной обмоткой.

Если, однако, в первичной обмотке трансформатора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение, частота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойство трансформатора используется для индуктивной связи между разными цепями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других целей, о которых разговор будет впереди.

Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов (пермаллоя) называют низкочастотными трансформаторами, так как они пригодны только для преобразования переменного напряжения низкочастотного диапазона. На схемах низкочастотные трансформаторы обозначают буквой Т, а их обмотки римскими цифрами.

Принцип действия высокочастотных трансформаторов, предназначаемых для трансформации колебаний высокой частоты, также основан на электромагнитной индукции. Они могут быть как с сердечниками, так и без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных каркасах, но обязательно близко одну к другой (рис. 2).

Рис. 2.Высокочастотные трансформаторы без сердечников (слева катушки трансформатора с общим каркасом; справа - катушки трансформатора на отдельных каркасах; в центре обозначение на схемах)

При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает быстропеременное магнитное поле, которое индуцирует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в низкочастотных трансформаторах, напряжение во вторичной катушке зависит от соотношения чисел витков в катушках.

Для усиления связи между катушками в высокочастотных трансформаторах используют сердечники в виде стержней или колец (рис. 3), представляющие собой спрессованную массу из неметаллических материалов. Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотными сердечниками.

Рис 3.Высокочастотные трансформаторы с магнитодиэлектрическими сердечниками (слева - со стержневым, справа с кольцевым (тороидальным) сердечником)

Наиболее распространены ферритовые сердечники Ферритовый сердечник не только усиливает связь между катушками, но и повышает их индуктивность, поэтому они могут иметь меньше витков по сравнению с катушками трансформатора без сердечника.

Магнитодиэлектрический сердечник высокочастотного трансформатора независимо от его конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низкочастотного трансформатора, - прямой линией между катушками, а обмотки, как и катушки индуктивности, - латинскими буквами L.

Использование в повседневной жизни различных электрических приборов и устройств, работающих благодаря электроэнергии, обязывает нас иметь минимальные познания в области электротехники. Это знания, которые сохраняют нам жизнь. Ответы на вопросы о том, как из постоянного тока сделать переменный, какое напряжение должно быть в квартире и какой современный человек должен знать, чтобы избежать поражения и гибели от него.

Способы получения электричества

Сегодня невозможно представить свою жизнь без электроэнергии. Ежедневно все население нашей планеты использует миллионы ватт электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Но очередной раз, включая электрочайник, человек не задумывается о том, какой путь пришлось проделать электричеству, чтобы он смог заварить себе утреннюю чашку ароматного кофе.

Существует несколько способов получения электричества:

• из тепловой энергии;
• из энергии воды;
• из атомной (ядерной) энергии;
• из ветровой энергии;
• из солнечной энергии и др.

Для того чтобы понять природу возникновения электрической энергии, рассмотрим несколько примеров.

Электричество из энергии ветра

Электрический ток - это Самый простой способ его получения - энергия природных сил.

В данном примере от энергии ветра. Природный феномен дующего с различной силой ветра люди научились использовать давно. Укрощает ветер простой ветряк, оборудованный приводом и соединённый с генератором. Генератор и вырабатывает электрическую энергию.

Излишки тока при постоянном использовании ветряка можно накапливать в аккумуляторных батареях. Выработанный постоянный экологически чистый ток в быту и производстве не применяется.

Полученный и преобразованный в переменный ток, он идет для бытового использования. Накопленные излишки электричества хранятся в аккумуляторных батареях. При отсутствии ветра запасы электричества, хранящиеся в аккумуляторах, преобразуются и поступают на нужды человека.

Электроэнергия из воды

К большому сожалению, этот вид природной энергии, дающий возможность получать электричество, не везде имеется. Рассмотрим там, где воды много.

Простейшая ГЭС, сделанная из дерева по принципу мельницы, размер которой порядка 1,5 метров, способна обеспечить электричеством, используемым и на отопление, частное подсобное хозяйство. Такую бесплотинную ГЭС сделал русский изобретатель, уроженец Алтая - Николай Ленев. Он создал ГЭС, перенести которую могут два взрослых мужчины. Все дальнейшие действия аналогичны получению электричества от ветряка.

Вырабатывают электричество и крупные электростанции и гидростанции. Для промышленного получения электричества применяют огромные котлы, дающие пар. Температура пара достигает 800 градусов, а давление в трубопроводе поднимается до 200 атмосфер. Этот перегретый пар с высокой температурой и огромным давлением поступает на турбину, которая начинает вращаться и вырабатывать ток.

То же самое происходит и на гидроэлектростанциях. Только здесь вращение происходит за счёт больших скорости и объема воды, падающей с огромной высоты.

Обозначение тока и применение его в быту

Постоянный ток обозначается DC. На английском языке пишется как Direct Current. Он в процессе работы со временем не меняет своих свойств и направления. Частота постоянного тока равна нулю. Обозначают его на чертежах и оборудовании прямой короткой горизонтальной черточкой или двумя параллельными черточками, одна из которых пунктирная.

Используется постоянный ток в привычных нам аккумуляторах и батарейках, используемых в огромном числе различного типа устройств, таких как:

• счетные машинки;
• детские игрушки;
• слуховые аппараты;
• прочие механизмы.

Все ежедневно пользуются мобильным телефоном. Зарядка его происходит через блок питания, компактный преобразователь DC/AC, включаемый в бытовую розетку.

Электрические приборы потребляют переменный однофазный ток. Электроприборы заработают только с подключением трансформатора и Многие производители устанавливают преобразователь DC/AC непосредственно в сам агрегат. Это намного упрощает эксплуатацию электрооборудования.

Как из постоянного тока сделать переменный?

Выше говорилось, что все аккумуляторы, батарейки для фонариков, пультов телевизоров имеют постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, существует современное устройство под названием инвертор, он с легкостью из постоянного тока сделает переменный. Рассмотрим, как это применимо в повседневности.

Бывает, что во время нахождения в автомашине человеку необходимо срочно распечатать на ксероксе документ. Ксерокс имеется, машина работает и, включив в прикуриватель переходник на инвертор, он может подключить к нему ксерокс и распечатать документы. Схема преобразователя достаточно сложна, особенно для людей, которые имеют отдаленное понятие о работе электричества. Поэтому в целях безопасности лучше не пытаться самостоятельно соорудить инвертор.

Переменный ток и его свойства

Протекая, переменный ток в течение одной секунды меняет направление и величину 50 раз. Изменение движения тока - это его частота. Обозначается частота в герцах.

У нас частота тока 50 герц. Во многих странах, например США, частота равна 60 герц. Также бывает трёхфазный и однофазный переменный ток.

Для бытовых нужд приходит электричество, равное 220 вольтам. Это действующее значение переменного тока. Но амплитуда тока максимального значения будет больше на корень из двух. Что в итоге даст 311 вольт. То есть фактическое напряжение бытовой сети составляет 311 вольт. Для изменения постоянного тока на переменный применяются трансформаторы, в которых используются различные схемы преобразователей.

Передача тока по высоковольтным линиям

Все электрические наружные сети несут по своим проводам переменный ток различного напряжения. Оно может колебаться от 330000 вольт до 380 вольт. Передача осуществляется только переменным током. Данный способ транспортировки - самый простой и дешёвый. Как из переменного тока сделать постоянный, давно известно. Поставив трансформатор в нужном месте, получим необходимое напряжение и силу тока.

Схемы преобразователей

Самая простая схема решения вопроса о том, как из постоянного тока сделать переменный 220 В, не существует. Это может сделать диодный мост. Схема преобразователя DC/AC имеет в своём составе четыре мощных диода. Мост, собранный из них, создает движение тока в одном направлении. Мостик срезает верхние границы переменных синусоид. Диоды собираются последовательно.

Вторая схема преобразователя переменного тока - это на выход с моста, собранного из диодов, конденсатора или фильтра, который сгладит и исправит провалы между пиками синусоид.

Отлично преобразует постоянный ток в переменный инвертор. Схема его сложна. Используемые детали не из дешевого порядка. Потому и цена на инвертор немаленькая.

Какой электрический ток опаснее - постоянный или переменный?

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся на работе и в быту с электроприборами, подключенными в розетки. Ток, бегущий от электрического щита до розетки, однофазный переменный. Происходят случаи поражения электрическим током. Меры безопасности и знания о поражении током необходимы.

В чем принципиальная разница между попаданием под напряжение переменным током и постоянным? Имеется статистика, что переменный DC однофазный ток в пять раз опаснее постоянного AC тока. Поражение током, вне зависимости от его типа, само по себе отрицательный факт.

Последствия от поражения током

Небрежность в обращении с электроприборами может, мягко говоря, негативно сказаться на здоровье человека. Поэтому не стоит экспериментировать с электричеством, если на то нет специальных навыков.

Действие тока на человека зависит от нескольких факторов:

• сопротивления тела самого потерпевшего;
• напряжения, под которое попал человек.
• от силы тока на момент контакта человека с электричеством.

С учетом всего перечисленного можно сказать, что действие переменного тока намного опаснее, чем постоянного. Имеются данные экспериментов, подтверждающие факт, что для получения равного результата при поражении сила постоянного тока должна быть в четыре - пять раз выше, чем переменного.

Сама природа переменного тока отрицательно сказывается на работе сердца. При поражении током происходит непроизвольное сокращение сердечных желудочков. Это может привести к его остановке. Особенно опасно соприкосновение с оголенными жилами людям, имеющим сердечный стимулятор.

У постоянного тока частота отсутствует. Но высокие напряжение и сила тока могут привести также к летальному исходу. Выйти из под контакта с постоянным электрическим током проще, чем из-под контакта с переменным.

Этот небольшой обзор природы электрического тока, его преобразования должен быть полезен людям, далеким от электричества. Минимальные познания в области происхождения и работы электроэнергии помогут понять суть работы обычных бытовых приборов, которые так необходимы для комфортной и спокойной жизни.

— устройство, преобразовывающее переменный ток одного в переменный ток другого напряжения. Он состоит из катушек (или обмоток), которые наматываются на каркас с помощью изолированного провода. Размещены катушки на магнитопроводе из пластин специальной стали. Вряд ли можно найти электронное устройство, где не использовался бы электрический трансформатор. Он является также одной из основных составляющих в системе подачи электроэнергии на расстояние. В основу работы трансформатора положено открытие Фарадеем в 1831 году электромагнитной индукции. Правда, главное свойство трансформатора — преобразование токов и напряжений откроют значительно позже.

Французским изобретателем Г. Румкорфом была создана в 1852 году индукционная катушка — прообраз первого трансформатора. С помощью катушки он получил колебания тока высокого напряжения. Для превращения постоянного тока, не поддающегося трансформации, в переменный, изобретатель включил прерыватель последовательно с первичной катушкой. При замыкании во вторичной обмотке напряжение выше первичного в таком соотношении, в каком было количество витков во вторичной обмотке по отношению к первичной. При размыкании тока первичной обмотки возникало еще большее напряжение во вторичной. Чем быстрее размыкание, тем больше его величина. В роли прерывателя была пружинная пластинка. Она размыкала цепь, притянутая сердечником катушки. На частоту прерываний влияла масса и упругость пружины, напряжение батареи. Практическое применение индукционные катушки получили лишь в 70-х годах.

Датой рождения трансформатора принято считать 30 ноября 1876 года. В этот день русскому ученому П. Н. Яблочкову вручили патент на трансформатор с разомкнутым сердечником катушки. Сердечником был стержень, на который были намотаны обмотки. Столкнувшись с проблемой «дробления» электричества, Яблочков предложил решить проблему с помощью индукционных катушек. При таком соединении в цепь включались последовательно первичные обмотки катушек, работавшие в режиме трансформатора, и выдавали необходимое напряжение на выходе. Во вторичную обмотку включали одну, две и более свечей. При потухании одной лампы цепь не разрывалась и другие свечи продолжали гореть. В 1882 году изобретатели Голяр и Гиббс запатентовали трансформатор, используемый также и для преобразования напряжения. Вскоре было отмечено, что можно повысить КПД и уменьшить потери энергии, насадив на единый сердечник вторичную и первичную катушки.

Трансформатор с замкнутым сердечником был впервые создан братьями Гопкинсонами в 1884 году. Сердечник набирался из стальных полос или проволок, которые разделялись изоляционным материалом. Это помогало уменьшить потери энергии. На сердечник поочередно размещали катушки высшего напряжения и низшего. В 1885 году электротехник Дери запатентовал параллельный способ включения трансформаторов в цепь. Это стало началом массового выпуска трансформаторов однофазного тока. Благодаря изобретенному Свинберном в конце 80-х способу масляного охлаждения трансформатора возросла надежность обмоток.

Русским ученым Доливо-Добровольским в 1889 году была предложена система трехфазного переменного тока и был изобретен первый трехфазный трансформатор. Конструкция трехфазного трансформатора с расположенными в одной плоскости параллельными стержнями оказалась довольно удачной и сохранилась без существенных изменений до наших дней. Трансформаторы находят сегодня широчайшее использование в быту и промышленности. Силовые электрические трансформаторы передают переменный ток на огромные расстояния по линиям электропередач. Существуют трансформаторы-карлики, которые применяют в телевизорах, радиоприемниках, телефонных аппаратах, магнитофонах и т.д.

Хотя, как мы уже указывали, в технике применяется преимущественно переменный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь постоянный ток. Такой ток необходим, например, для питания радиоприемных и радиопередающих устройств, телевизоров, для зарядки аккумуляторов, для электролитического получения металлов, для приведения в действие двигателей трамваев, троллейбусов и электропоездов и для многих других целей. Поэтому очень важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать переменный ток в постоянный, или, как принято говорить, выпрямлять его.

В основе действия всех устройств такого рода – выпрямителей – лежит применение так называемых электрических вентилей, т. е. приборов, которые пропускают ток в одном направлении и не пропускают его в противоположном направлении. С одним из таких вентилей мы уже знакомы. Это – двухэлектродная лампа с накаленным катодом (§ 106). Если мы включим такую лампу в сеть переменного тока последовательно с нагрузкой, для питания которой нам нужен постоянный ток (рис. 315), то ток будет проходить через цепь только в тот полупериод, когда накаленная нить будет катодом, а холодная пластинка – анодом. В следующий полупериод, когда холодная пластинка служит катодом, а раскаленная нить – анодом, ток проходить не может, потому что испускаемые нитью электроны не будут притягиваться полем к пластинке, а, наоборот, будут отталкиваться обратно к нити. Поэтому ток в нагрузке будет прямым, т. е. направление его меняться не будет. Форма такого пульсирующего прямого тока показана на рис. 316. Эта схема выпрямления переменного тока носит название однополупериодной.

Рис. 315. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 316. Форма тока при однополупериодном выпрямлении

Чтобы сгладить колебания силы тока в цепи, применяют более сложную, двухполупериодную, схему выпрямления, показанную на рис. 317. Здесь сетевое напряжение подводят к первичной обмотке трансформатора, а середину вторичной обмотки соединяют с отдельным зажимом. Ясно, что в течение одного полупериода зажим имеет относительно средней точки более высокий потенциал, т. е. является по отношению к ней плюсом, а точка – минусом. В течение следующего полупериода, наоборот, плюсом по отношению к средней точке будет точка , а минусом – точка .

Рис. 317. Схема двухполупериодного выпрямителя

Крайние точки трансформатора и присоединяют к анодам двух выпрямительных ламп, катоды которых соединены между собой и накаливаются отдельной батареей или отдельной понижающей обмоткой на трансформаторе. Нагрузка, как это видно из рис. 317, включается между средней точкой трансформатора и катодами обеих выпрямительных ламп. В течение того полупериода, когда точка положительна по отношению к точке , а точка – отрицательна, ток проходит только через первую лампу, а вторая заперта, т. е. не пропускает тока. В течение следующего полупериода лампы меняются ролями: первая лампа заперта, и ток проходит только через вторую. Направления этих токов отмечены на рис. 317 стрелками. Мы видим, что через нагрузку ток проходит в течение обоих полупериодов в одном и том же направлении. Форма этого тока показана на рис. 318 штриховой линией.

Рис. 318. Форма тока при двухполупериодном выпрямлении

Чтобы еще больше сгладить пульсации выпрямленного тока, применяют так называемые фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке. Этот конденсатор, показанный штриховой линией на рис. 315, заряжается в тот полупериод, когда через выпрямительную лампу проходит ток, и разряжается через приемник энергии в течение следующего полупериода, поддерживая в нем, таким образом, ток в течение всего периода.

Еще более совершенным является фильтр, состоящий из катушки с железным сердечником, обладающей большой индуктивностью, и двух конденсаторов. Катушка включается последовательно с приемником энергии, а конденсаторы – параллельно ему: один – перед катушкой, другой после нее (рис. 317). Э. д. с. самоиндукции в катушке противодействует изменениям тока. Она ослабляет его во время нарастания и поддерживает во время убывания. Форма сглаженного тока показана на рис. 318 сплошной ломаной линией.

Двухэлектродные вакуумные выпрямительные лампы с накаленными катодами называют кенотронами (§ 106). Они получили очень широкое распространение в радиоприемниках, телевизорах и других радиоустройствах.

Кенотроны могут пропускать через себя лишь сравнительно слабые токи, до нескольких десятков миллиампер. В тех случаях, когда нужно выпрямлять большие токи (до 50 А), вместо кенотронов применяют так называемые газотроны (рис. 319). Это тоже двухэлектродная лампа с накаленным катодом и металлическим или угольным анодом, но в отличие от кенотрона, внутри которого воздух по возможности полностью откачан, колба газотрона заполнена парами ртути или инертным газом. Электроны, вылетающие из накаленного катода, на своем пути к аноду ионизуют при соударениях атомы ртути. Появляющиеся при этом положительные ионы способствуют увеличению эмиссии с катода, так что ток через газотрон может быть значительно больше, чем через кенотрон.

Рис. 319. Газотрон: а) внешний вид; б) условное обозначение

Наконец, в тех случаях, когда требуется выпрямить токи очень больших мощностей (до 200 А при напряжении до 50 кВ), в качестве вентилей применяют так называемые ртутные выпрямители. Они представляют собой большие стеклянные или металлические колбы (рис. 320), в которых происходит дуговой разряд в парах ртути между катодом 1 (жидкая ртуть) и графитовыми электродами 2 и 3, впаянными в боковые отростки. Дополнительные электроды 4 и 5 включены в устройство, обеспечивающее работу выпрямителя при малых нагрузках. Ртуть в дополнительном отростке 6 служит для зажигания дуги. Дуга в колбе может гореть только тогда, когда жидкая ртуть является катодом. При этом на поверхности ртути образуется ярко светящееся пятно, представляющее собой нагретый участок ртути. С этого участка происходит усиленное испарение ртути, пары которой при высоком давлении заполняют всю колбу. Это же пятно является и источником электронов, которые движутся под действием электрического поля к тому из электродов 2 и 3, который в данное время положителен по отношению к ртути и другому аноду.

Рис. 320. Устройство ртутного выпрямителя

Такой выпрямитель включается по схеме двухполупериодного выпрямления, и дуга горит в течение одного полупериода между катодом 1 и анодом 2, а в течение другого – между катодом 1 и анодом 3. При этом в нагрузке ток идет все время в одном и том же направлении. Такими ртутными выпрямителями оборудованы, в частности, почти все подстанции, питающие электрические железные дороги, трамваи и троллейбусы.

Наряду с описанными электронными или газоразрядными выпрямителями в последнее время получили более широкое распространение твердые или полупроводниковые выпрямители, о которых было сказано в гл. IX. Их включают в выпрямительные устройства по тем же схемам одно- и двухполупериодиого выпрямления, как газотроны или кенотроны.

На чертежах полупроводниковые вентили принято обозначать условным знаком, изображенным на рис. 321. Направление острия указывает направление пропускания тока. Иными словами, устройство, обозначенное этим знаком, пропускает ток только тогда, когда электрод, изображенный треугольником, является анодом (плюсом), а электрод, изображаемый пластинкой, – катодом (минусом).

Рис. 321. Условное обозначение полупроводниковых электрических вентилей