Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Выпрямитель — это полупроводниковый преобразователь, который превращает переменный ток (AC) в однонаправленный (DC) ток через одну или несколько диодных или тиристорных схем. На выходе получается не идеальная постоянная, а пульсирующая по уровню величина, поэтому за выпрямителем почти всегда стоит сглаживающий фильтр и/или стабилизатор. Выпрямитель — базовый блок любого источника питания: от зарядных устройств и сетевых адаптеров до тяговых преобразователей электротранспорта и силовых установок промышленного класса.
В статье разобраны принцип работы диодного выпрямителя, однополупериодная и двухполупериодные схемы (со средней точкой и мост Греца), коэффициент пульсаций и формулы для среднего значения выходного напряжения, способы сглаживания (емкостной, индуктивный, LC, Π-фильтр), трёхфазное выпрямление по шестипульсной схеме и практические области применения. Терминология приведена в соответствии с действующими ГОСТ 23414-84 и ГОСТ 26284-84 по полупроводниковым преобразователям электроэнергии.
В основе работы выпрямителя лежит односторонняя проводимость полупроводникового диода: при прямом смещении (положительный потенциал на аноде) диод пропускает ток с малым падением напряжения (типично 0,6–1 В для кремниевых выпрямительных диодов, выше для высоковольтных и больше для мостовых сборок); при обратном смещении ток практически равен нулю (за исключением небольшого тока утечки) вплоть до напряжения пробоя.
Если на диод подать синусоидальное напряжение u(t) = Um sin(ωt), он пропустит только те полупериоды, когда мгновенное напряжение положительно относительно нагрузки. Ток через нагрузку оказывается однонаправленным, но не постоянным — он повторяет огибающую положительных полупериодов. Чтобы превратить этот сигнал в близкое к постоянному напряжение, применяют две стратегии:
На практике почти всегда применяют комбинацию: сначала двухполупериодная или многопульсная схема, затем фильтр и при необходимости стабилизатор.
Наверх
Однополупериодный (полуволновой) выпрямитель — простейшая возможная схема: один диод включён последовательно с нагрузкой. В положительный полупериод диод открыт и ток течёт через нагрузку; в отрицательный полупериод диод закрыт, и в нагрузке ток отсутствует. На нагрузке формируются изолированные «горбы», повторяющие верхнюю половину синусоиды.
Udc = Um / π ≈ 0,318 · Um
Из-за этих недостатков однополупериодная схема в современной силовой электронике применяется ограниченно: в маломощных вспомогательных цепях, простейших зарядных устройствах, генерации опорного напряжения, где недостатки не критичны.
Двухполупериодная схема со средней точкой использует трансформатор с разделённой пополам вторичной обмоткой (с выводом средней точки) и два диода. Каждый полупериод сетевого напряжения проводит «свой» диод: в положительный полупериод верхняя половина обмотки и верхний диод; в отрицательный — нижняя половина и нижний диод. К нагрузке оба тока приходят в одном направлении.
Udc = 2 Um / π ≈ 0,637 · Um
Исторически схема со средней точкой применялась в ламповых усилителях и старых мощных выпрямителях. В современной электронике её вытеснила мостовая схема, более выгодная по габаритам трансформатора. Применяется в специфических случаях, где средняя точка нужна и для других целей (двуполярные источники питания усилителей).
Мостовая схема двухполупериодного выпрямления — это четыре диода, включённые в виде моста (схема Греца, названная по имени немецкого физика Лео Греца, независимо опубликовавшего её в 1897 году; ранее, в декабре 1895 года, аналогичная схема была запатентована польским электротехником Каролем Поллаком). Схема не требует средней точки трансформатора, что упрощает обмотку и уменьшает массу медных проводов в трансформаторе.
Udc ≈ 0,637 · Um − 2 Uпр
Мост Греца — стандарт де-факто для однофазного двухполупериодного выпрямления в современных источниках питания. Простота, минимум вторичной обмотки и низкое обратное напряжение на каждом диоде делают его выбором по умолчанию.
Любой выпрямитель без сглаживающего фильтра даёт на выходе не постоянное, а пульсирующее напряжение. Меру «нечистоты» постоянного напряжения характеризует коэффициент пульсаций γ — отношение действующего значения переменной составляющей выходного напряжения к его постоянной составляющей:
γ = U~ / U= = √((Urms / Udc)² − 1)
Приведённые значения γ — теоретические для идеального активного нагрузочного режима без фильтра. Реальный коэффициент пульсаций зависит от ёмкости фильтра, тока нагрузки, прямого падения на диодах, индуктивности обмоток и режима работы. В практическом расчёте используется паспортный пик-пик ripple, нормированный к среднему значению.
Чтобы превратить пульсирующее напряжение выпрямителя в близкое к постоянному, применяют сглаживающие фильтры. Принцип у всех типов один — частотно-избирательное подавление переменной составляющей с пропусканием постоянной. Различают пять основных схем.
Конденсатор подключается параллельно нагрузке. На пиках выходного сигнала выпрямителя конденсатор быстро заряжается; в промежутках между пиками отдаёт накопленный заряд в нагрузку. Чем больше ёмкость и чем выше частота пульсаций, тем меньше провал между пиками.
ΔUp-p ≈ Iн / (fп · C)
Простой и недорогой; применим почти в любом маломощном источнике питания. Минус — высокий импульсный ток через диоды в моменты подзаряда конденсатора, увеличивающий нагрев диодов и снижающий коэффициент мощности.
Дроссель включается последовательно с нагрузкой. Индуктивность сопротивляется быстрым изменениям тока — переменная составляющая через нагрузку существенно ослабляется. Применяется в мощных силовых выпрямителях и тяговых приводах, где важна сглаженность тока, а не только напряжения.
Комбинация дросселя (последовательно) и конденсатора (параллельно нагрузке). Эквивалентен фильтру нижних частот второго порядка: даёт значительно лучшее подавление пульсаций, чем чистый C- или L-фильтр.
Резистор (последовательно) и конденсатор (параллельно нагрузке). Простая «подчистка» остаточных пульсаций после первого ёмкостного каскада. Применяется в маломощных цепях, где потеря на резисторе допустима.
Два конденсатора, разделённых дросселем или резистором. По форме напоминает букву «П». Обеспечивает максимальное сглаживание из пассивных схем фильтра. Применяется там, где нужны очень малые пульсации в питании чувствительной аппаратуры (аудиоусилители, измерительные приборы) и нет смысла усложнять стабилизатор.
В мощных промышленных и тяговых выпрямителях используется трёхфазное входное напряжение. Преимущества — лучшее качество выпрямления, меньшие пульсации, более равномерная нагрузка сети.
Наиболее распространённая конфигурация — шестипульсный мост из шести диодов или тиристоров: по два прибора на каждую фазу (один в верхнем плече моста, один в нижнем). В каждый момент проводят два прибора — один из верхней группы и один из нижней, соответствующие фазам с максимальной разностью потенциалов. Переключения происходят каждые 60° электрического угла, что даёт шесть пиков выпрямленного напряжения за период сети.
Udc = (3 √2 / π) · Uл-л(rms) ≈ 1,35 · Uл-л(rms)
Шестипульсный мост — стандарт промышленных диодных и тиристорных силовых преобразователей; применяется в приводах постоянного тока, тяговых подстанциях, выпрямителях гальванических установок, сварочных источниках, ИБП большой мощности.
Для дальнейшего снижения пульсаций и уменьшения гармонических искажений в сети используют двенадцатипульсные схемы — два шестипульсных моста, питаемые от двух обмоток трансформатора со сдвигом 30° (один — «звезда», другой — «треугольник»). Частота пульсаций — двенадцатикратная сетевой (600 Гц для сети 50 Гц); пульсации напряжения — порядка 1 %. Применяются в мощных тяговых и металлургических выпрямителях.
Выпрямитель использует одностороннюю проводимость полупроводникового диода: ток через диод течёт только в прямом направлении (анод — катод), в обратном — практически отсутствует. На вход подаётся переменное синусоидальное напряжение; в нагрузке формируется однонаправленный пульсирующий ток. В зависимости от схемы (один диод, два с трансформатором со средней точкой, четыре в мостовой схеме, шесть в трёхфазной мостовой) используется только положительный полупериод или оба полупериода. Полученное пульсирующее напряжение далее сглаживается фильтром (ёмкостным, индуктивным, LC, П-образным) до близкого к постоянному уровня.
В однополупериодной схеме один диод пропускает только один из полупериодов входной синусоиды — в нагрузке появляются «пропуски». Среднее напряжение составляет около 0,318 от амплитудного, коэффициент пульсаций ≈ 1,21, частота пульсаций равна частоте сети. В двухполупериодной схеме (со средней точкой или мостовой) используются оба полупериода — нагрузка получает ток в каждый момент времени. Среднее напряжение возрастает до 0,637 от амплитудного, коэффициент пульсаций падает до ≈ 0,482, частота пульсаций удваивается. Сглаживание становится проще, а трансформатор работает более полно.
Это мостовая схема двухполупериодного выпрямления из четырёх диодов. Получила имя немецкого физика Лео Греца, независимо опубликовавшего её в 1897 году; патент на аналогичную схему ещё в декабре 1895 года получил польский электротехник Кароль Поллак. В современной литературе и инженерной практике закрепилось обозначение «мост Греца». Схема не требует трансформатора со средней точкой: к одной диагонали моста подаётся переменное напряжение, со второй снимается выпрямленное. В каждый полупериод проводят два диода «по диагонали», направляя ток через нагрузку в одну и ту же сторону. Современный стандарт однофазного двухполупериодного выпрямления; выпускается готовыми сборками (диодными мостами).
Это отношение действующего значения переменной составляющей выходного напряжения к его постоянной составляющей. Чем меньше γ, тем «чище» постоянное напряжение. Для однополупериодной схемы γ ≈ 1,21 — переменная составляющая больше постоянной. Для двухполупериодной (со средней точкой и мостовой) γ ≈ 0,482. Для трёхфазной шестипульсной мостовой γ ≈ 0,042 (4,2 %). Указанные значения теоретические, без фильтра; реальный коэффициент зависит от ёмкости фильтра, тока нагрузки, прямого падения на диодах.
Выпрямитель сам по себе даёт пульсирующее, а не постоянное напряжение. Многие потребители (контроллеры, цифровая электроника, чувствительная аналоговая аппаратура) требуют почти постоянного питания, иначе работают нестабильно. Фильтр подавляет переменную составляющую и пропускает постоянную. В простейшем случае это конденсатор параллельно нагрузке (C-фильтр); в более требовательных схемах — LC, RC, П-фильтр; в мощных силовых установках — индуктивный фильтр последовательно с нагрузкой. После фильтра при необходимости стоит линейный или импульсный стабилизатор.
Трёхфазная шестипульсная мостовая схема даёт шесть пиков выпрямленного напряжения за период сети вместо двух; частота пульсаций — 6fсети вместо 2fсети; коэффициент пульсаций — около 4,2 % вместо 48,2 %. Среднее напряжение Udc ≈ 1,35 Uл-л(rms). Из-за низкого уровня пульсаций часто можно обойтись без массивного фильтра. Дополнительные преимущества — равномерная нагрузка трёх фаз сети, лучший коэффициент мощности, меньше гармоник. Поэтому в промышленных приводах, тяговых подстанциях, гальванических и сварочных выпрямителях применяется трёхфазная мостовая схема (или её усложнённые версии — двенадцатипульсные).
В Российской Федерации действуют ГОСТ 23414-84 «Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения», ГОСТ 26284-84 «Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Условные обозначения», ГОСТ 18142.1-85 «Выпрямители полупроводниковые мощностью свыше 5 кВт. Общие технические условия», ГОСТ 26830-86 «Преобразователи электроэнергии полупроводниковые силовые мощностью до 5 кВ·А. Общие технические условия». Международные стандарты — комплекс IEC 60146 «Semiconductor converters». Для электромагнитной совместимости (гармоники сетевого тока) применяется ГОСТ IEC 61000-3-2-2021 (идентичен IEC 61000-3-2:2020).
Это законченная сборка из четырёх диодов, реализующая мостовую схему Греца, в одном корпусе с четырьмя выводами: два — для подключения переменного напряжения, два — для съёма выпрямленного. Маркируется по максимальному обратному напряжению и максимальному среднему прямому току. Удобен для типовых однофазных применений: достаточно соединить четыре вывода вместо монтажа четырёх отдельных диодов. Существуют аналогичные сборки для трёхфазного выпрямления (шесть диодов в одном корпусе) — трёхфазные выпрямительные модули.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.