Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае — в постоянный выходной электрический ток.
Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.
Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток — называется инвертором.
Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).
Классификация
Выпрямители классифицируют по следующим признакам: по виду переключателя выпрямляемого тока механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором токаМеханические синхронные выпрямители с щёточноколлекторным коммутатором тока применяются в коллекторных генераторах постоянного тока, в механических выпрямителях при производстве алюминия.; механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока; с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные); электронные синхронные (например, транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией; с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные); по мощности силовые выпрямителиСиловые выпрямители применяются в силовой электронике, в энергетике.; выпрямители сигналовВыпрямители сигналов применяются в радиоэлектронике и автоматике.; по степени использования полупериодов переменного напряжения однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну; двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны; неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны; полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны; по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, бестрансформаторные и пр.; по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные; по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.; по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные); по количеству каналов — одноканальные, многоканальные; по величине выпрямленного напряжения — низковольтные среднего напряжения (от 100 до высоковольтные по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.; по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые; по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные; по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые; по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой); по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные; по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами; по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.
Применение
Выпрямление электрического тока Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (то есть без учёта знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учёта их знаков (то есть полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).
Приёмниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.
Сюда относятся выпрямительные установки для: железнодорожной тяги городского электротранспорта электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др., электрохимическое осаждение металлов) питания приводов прокатных станов возбуждения генераторов электростанций
В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.
Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.
Блоки питания аппаратуры Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание постоянным током.
Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в том числе так называемые адаптеры ()). Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств.
Выпрямители электросиловых установок Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков.
Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения, и имеют требуемую тяговую характеристику (большой крутящий момент при низкой частоте вращения ротора). Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.
Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.
Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях бортовая сеть постоянного тока получает питание от полупроводникового выпрямителя, встроенного в генератор переменного тока.
Сварочные аппараты В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного () её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой. В ряде случаев, с использованием специальных сварочных электродов, электрическая дуговая сварка переменным током вообще невозможна.
Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники
Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.
Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики. Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр) Установки очистки и обессоливания воды Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро) Для несинхронной связи энергосистем переменного токаНИИПТ. Выборгская преобразовательная подстанция Для дальней передачи электроэнергии постоянным токомПроект уникальной электропередачи постоянного тока Экибастуз-Центр мощностью 6000 МВт, напряжением 1500 кВ для транспорта электроэнергии от Экибастузских ГРЭС в центральные районы страны, на расстояние свыше 2400 км, разработанный в НИИПТ ].
Выпрямители высокочастотных колебаний В составе ректенн: в перспективных моделях солнечных батарей (КПД более ; в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов; в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии.
Детектирование высокочастотного сигнала
Баллистический выпрямитель Баллистический выпрямитель, описанный в статье Room-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. SongRoom-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. Song. Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester M60 1QD, England http://personalpages.manchester.ac.uk/staff/A.Song/publications/Enn.pdf , может найти применение для детектирования очень высокочастотных сигналов
Характеристики Номинальное выходное напряжение постоянного тока и допустимый диапазон его изменения; Номинальный ток нагрузки; Диапазон эффективного входного напряжения переменного тока (например, 220 В Допустимая выходная пульсация, её амплитудно-частотные характеристики; Нагрузочная характеристика. Эквивалентное внутреннее комплексное (в первом приближении активное) сопротивление. Коэффициент использования габаритной мощности трансформатора.
Типовые схемы
Двухполупериодный выпрямитель Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов; такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора).
При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе в отсутствие нагрузки будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой эффективное выпрямленное напряжение будет ниже (но не ниже величины среднего выпрямленного напряжения переменного тока, так как таким будет напряжение без фильтра, если внутреннее сопротивление источника переменного тока принять равным нулю) и будет зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.
Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.