Постоянный ток играет ключевую роль в современной технике: он необходим для плавки металлов в электропечах, приведения в движение двигателей электровозов и троллейбусов, зарядки аккумуляторных батарей, а также для питания автоматизированных систем и электронных устройств. Однако по линиям электропередач (ЛЭП) к потребителям поступает преимущественно переменный ток. Для его преобразования в постоянный используется специальное электротехническое устройство — выпрямитель.
Принцип работы и ключевой элемент
Сердцем любого выпрямителя является так называемый «электрический клапан» — элемент, который обладает односторонней проводимостью. Он легко пропускает электрический ток в одном направлении, но практически блокирует его движение в обратном. Этот принцип можно сравнить с работой велосипедного вентиля: воздух свободно нагнетается внутрь камеры, но не может выйти обратно благодаря специальному клапану.
Исторические и современные типы выпрямителей
В промышленных установках, где требуется преобразовывать переменный ток силой в тысячи ампер, долгое время применялись мощные ртутные и газовые выпрямители. В ртутном приборе электрический разряд в парах ртути создает условия для одностороннего протекания тока. Аналогичный процесс, но в среде разреженных газов (аргона, гелия, криптона или водорода), используется в газотронах.
Сегодня эти громоздкие и менее эффективные устройства в значительной степени вытеснены полупроводниковыми диодами. Они отличаются компактными размерами, высокой экономичностью, надежностью и долгим сроком службы.
Как диод выпрямляет ток
Полупроводниковый диод выполняет функцию выпрямления, пропуская только положительные полуволны переменного тока и задерживая отрицательные. В результате на выходе получается пульсирующий ток — он течет в одном направлении, но его сила постоянно изменяется.
Сглаживание пульсаций: роль фильтров
Для большинства применений такой пульсирующий ток непригоден — требуется максимально ровный, постоянный ток. Эту задачу решает электрический фильтр, который подключается на выходе выпрямителя. Основными компонентами фильтра являются конденсаторы и иногда дроссели (катушки индуктивности).
Конденсаторы накапливают электрический заряд в моменты пиков тока и отдают его в цепь, когда ток через выпрямитель падает, тем самым сглаживая пульсации. Дроссель, в свою очередь, препятствует резким скачкам силы тока, инерционно поддерживая его стабильное значение.
Применение в бытовой и промышленной электронике
Диодные выпрямители, оснащенные сглаживающими фильтрами, являются неотъемлемой частью блоков питания практически всей современной электроники. Они встроены в радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и другую аппаратуру, которая работает от бытовой сети переменного тока, обеспечивая ее стабильным постоянным напряжением.