Главная >> Колебания и волны. Физика 11 класс. Мякишев

Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии

§ 3.4. Выпрямление переменного тока

В технике и в быту применяется главным образом переменный ток. Однако во многих случаях бывает необходим и ток постоянный. Постоянный ток используется при электролизе. Электродвигатели постоянного тока допускают плавное регулирование скорости вращения и развивают большой вращающий момент при пуске. Эти свойства делают их незаменимыми на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы, электрокары). Постоянное напряжение необходимо для зарядки аккумуляторов и питания большинства радиотехнических устройств. Наконец, постоянным током питаются индукторы генераторов переменного тока.

Постоянный ток чаще всего получают из переменного с помощью специальных устройств — выпрямителей. Действие любого выпрямителя основано на возможности создания элементов цепи, пропускающих ток только в одном определенном направлении. Таким свойством обладают двухэлектродные электронные лампы, а также полупроводниковые диоды.

Рассмотрим некоторые схемы выпрямления переменного тока с применением полупроводниковых диодов. Это наиболее распространенные в настоящее время выпрямители.

Однополупериодное выпрямление

При включении диода в цепь с переменным синусоидальным напряжением (рис. 3.4) ток в цепи проходит только в течение половины каждого периода. Такое выпрямление переменного тока называется однополупериодным. Зависимость силы тока от времени при таком выпрямлении имеет вид, показанный на рисунке 3.5. Ток, протекающий через резистор R (см. рис. 3.4), является постоянным лишь по направлению. Сила тока не постоянна. В течение одного полупериода она возрастает от нуля до максимального значения, а затем убывает снова до нуля. В течение всего второго полупериода сила тока равна нулю, затем она снова возрастает и т. д. Такой ток называется пульсирующим.

Двухполупериодное выпрямление

Для использования обоих полупериодов переменного тока применяются схемы двухполупериодного выпрямления. Одной из распространенных схем полупроводниковых выпрямителей с двухполупериодным выпрямлением является мостовая схема, показанная на рисунке 3.6. В момент, когда потенциал клеммы А источника переменного напряжения положителен, а клеммы В — отрицателен, ток идет через диоды 1 и 4 (рис. 3.7, а). Диоды 2 и 3 при этом заперты, а цепь в этих местах практически разомкнута. Через половину периода потенциал клеммы А становится отрицательным, а клеммы В — положительным. Теперь уже заперты диоды 1 и 4, и ток пропускают диоды 2 и 3 (рис. 3.7, б). Через нагрузку ток в течение обоих полупериодов проходит в одном и том же направлении: от С к D. Однако и теперь сила тока непрерывно изменяется: после выпрямления ток также оказывается пульсирующим (рис. 3.8).

Сглаживающие фильтры

Для питания радиотехнических цепей пульсирующий ток не годится. Здесь необходим ток постоянного направления с постоянной силой тока. Для получения выпрямленного тока, практически свободного от пульсаций, применяют сглаживающие фильтры.

Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.9). Фильтр работает так. В ту часть полупериода, когда ток нарастает, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его (сплошные стрелки на рисунке 3.9). Разветвление тока уменьшает силу тока в нагрузке. Зато в течение второй части полупериода, когда ток убывает, конденсатор частично разряжается через нагрузку, и через нее проходит ток того же направления (пунктирная стрелка на рисунке 3.9). Таким образом, в течение всего периода достигается непрерывное прохождение тока через нагрузку и уменьшение его пульсаций. Форма сглаженного тока показана на рисунке 3.10 сплошной (ломаной) линией.

Еще более совершенным является фильтр, состоящий из катушки со стальным сердечником, набранным из листовой стали (дросселя), и двух конденсаторов. Дроссель, обладающий большой индуктивностью, включается последовательно с нагрузкой, а конденсаторы параллельно: один — перед дросселем, а другой после него (рис. 3.11). ЭДС самоиндукции в катушке (дросселе) противодействует изменениям тока. Она ослабляет его во время нарастания и поддерживает во время убывания.

В настоящее время полупроводниковые выпрямители используются для питания постоянным током электрифицированных железных дорог, городского электротранспорта (метро, трамвай, троллейбус), а также электролитических цехов.