§ 166. Выпрямление переменного тока.

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