Elektrische energie wordt gemakkelijk getransporteerd en omgezet in grootte in de vorm van wisselspanning. In deze vorm wordt het aan de eindverbruiker geleverd. Maar om veel apparaten van stroom te voorzien, heb je toch een constante spanning nodig.
Inhoud
Waarom hebben we een gelijkrichter nodig in de elektrotechniek?
De taak van het omzetten van wisselspanning naar gelijkstroom is toegewezen aan gelijkrichters. Dit apparaat wordt veel gebruikt en de belangrijkste toepassingsgebieden van gelijkrichters in radio- en elektrotechniek zijn:
- vorming van gelijkstroom voor elektrische elektrische installaties (tractie-substations, elektrolyse-installaties, bekrachtigingssystemen van synchrone generatoren) en krachtige gelijkstroommotoren;
- voedingen voor elektronische apparaten;
- detectie van gemoduleerde radiosignalen;
- vorming van een constante spanning evenredig met het niveau van het ingangssignaal voor het bouwen van automatische versterkingscontrolesystemen.
Het volledige bereik van gelijkrichters is uitgebreid en het is onmogelijk om het in het kader van één beoordeling op te sommen.
Werkingsprincipes van gelijkrichters
De werking van gelijkrichtapparaten is gebaseerd op de eigenschap van eenzijdige geleidbaarheid van elementen. Je kunt dit op verschillende manieren doen. Veel manieren voor industriële toepassingen behoren tot het verleden, zoals het gebruik van mechanische synchrone machines of elektrovacuümapparaten. Nu worden kleppen gebruikt die stroom in één richting geleiden. Nog niet zo lang geleden werden kwikapparaten gebruikt voor krachtige gelijkrichters. Op dit moment worden ze praktisch vervangen door halfgeleider (silicium) elementen.
Typische gelijkrichtercircuits
De gelijkrichter kan volgens verschillende principes worden gebouwd. Bij het analyseren van apparaatcircuits moet eraan worden herinnerd dat de constante spanning aan de uitgang van een gelijkrichter alleen voorwaardelijk kan worden genoemd. Dit knooppunt produceert een pulserende unidirectionele spanning, die in de meeste gevallen moet worden afgevlakt door filters. Sommige verbruikers hebben ook stabilisatie van de gelijkgerichte spanning nodig.
Enkelfasige gelijkrichters
De eenvoudigste AC-spanningsgelijkrichter is een enkele diode.
Het geeft de positieve halve golven van de sinusoïde door aan de consument en "onderbreekt" de negatieve.
De reikwijdte van een dergelijk apparaat is klein - voornamelijk, schakelende voeding gelijkrichterswerken op relatief hoge frequenties. Hoewel het een stroom produceert die in één richting vloeit, heeft het aanzienlijke nadelen:
- hoog niveau van rimpeling - om gelijkstroom af te vlakken en te verkrijgen, hebt u een grote en omvangrijke condensator nodig;
- onvolledig gebruik van het vermogen van de step-down (of step-up) transformator, wat leidt tot een toename van de vereiste gewichts- en maatindicatoren;
- de gemiddelde EMF aan de uitgang is minder dan de helft van de geleverde EMF;
- verhoogde vereisten voor de diode (aan de andere kant is er slechts één klep nodig).
Daarom meer wijdverbreid full-wave (brug) circuit.
Hier stroomt de stroom twee keer per periode in één richting door de belasting:
- positieve halve golf langs het pad aangegeven door rode pijlen;
- negatieve halve golf langs het pad aangegeven door groene pijlen.
De negatieve golf verdwijnt niet, maar wordt ook gebruikt, zodat het vermogen van de ingangstransformator vollediger wordt benut. De gemiddelde EMF is twee keer die van de versie met een halve golf. De vorm van de rimpelstroom is veel dichter bij een rechte lijn, maar er is nog steeds een afvlakcondensator nodig. De capaciteit en afmetingen zullen kleiner zijn dan in het vorige geval, omdat de rimpelfrequentie twee keer zo groot is als de frequentie van de netspanning.
Als er een transformator is met twee identieke wikkelingen die in serie kunnen worden geschakeld of met een wikkeling met een aftakking vanuit het midden, kan een dubbelfasige gelijkrichter volgens een ander schema worden gebouwd.
Deze optie is eigenlijk een dubbele schakeling van een halfgolfgelijkrichter, maar heeft alle voordelen van een dubbelgolfgelijkrichter. Het nadeel is de noodzaak om een transformator met een specifiek ontwerp te gebruiken.
Als de transformator in amateuromstandigheden is gemaakt, zijn er geen obstakels om de secundaire wikkeling naar wens te wikkelen, maar er moet iets groter ijzer worden gebruikt. Maar in plaats van 4 diodes worden er maar 2 gebruikt.Dit maakt het mogelijk om het verlies aan gewichts- en maatindicatoren te compenseren en zelfs te winnen.
Als de gelijkrichter is ontworpen voor hoge stroomsterkte en de kleppen op radiatoren moeten worden geïnstalleerd, levert het installeren van de helft van het aantal diodes een aanzienlijke besparing op. Ook moet er rekening mee worden gehouden dat een dergelijke gelijkrichter twee keer de interne weerstand heeft in vergelijking met die welke in een brugschakeling is gemonteerd, dus de verwarming van de transformatorwikkelingen en de bijbehorende verliezen zullen ook hoger zijn.
Driefasige gelijkrichters
Van het vorige circuit is het logisch om over te gaan naar een driefasige spanningsgelijkrichter, geassembleerd volgens een soortgelijk principe.
De vorm van de uitgangsspanning is veel dichter bij een rechte lijn, het rimpelniveau is slechts 14% en de frequentie is gelijk aan driemaal de frequentie van de netspanning.
En toch is de bron van dit circuit een halfgolfgelijkrichter, dus veel van de tekortkomingen kunnen niet worden verholpen, zelfs niet met een driefasige spanningsbron. De belangrijkste is het onvolledige gebruik van het transformatorvermogen en de gemiddelde EMF is 1,17⋅E2eff (effectieve waarde van de EMF van de secundaire wikkeling van de transformator).
De beste parameters hebben een driefasig brugcircuit.
Hier is de amplitude van de uitgangsspanningsrimpel dezelfde 14%, maar de frequentie is gelijk aan de zeshoekige frequentie van de ingangswisselspanning, dus de capaciteit van de filtercondensator is de kleinste van alle aangeboden opties. En de output EMF zal twee keer zo hoog zijn als in het vorige circuit.
Deze gelijkrichter wordt gebruikt met een uitgangstransformator met een secundaire sterwikkeling, maar hetzelfde klepsamenstel zal veel minder efficiënt zijn in combinatie met een transformator waarvan de uitgang in delta is aangesloten.
Hier zijn de amplitude en frequentie van pulsaties hetzelfde als in het vorige circuit. Maar de gemiddelde EMV is in tijden minder dan in de vorige regeling. Daarom wordt deze opname zelden gebruikt.
Spanningsvermenigvuldiger gelijkrichters
Het is mogelijk om een gelijkrichter te bouwen waarvan de uitgangsspanning een veelvoud van de ingangsspanning zal zijn. Er zijn bijvoorbeeld circuits met spanningsverdubbeling:
Hier laadt condensator C1 op tijdens de negatieve halve cyclus en wordt in serie geschakeld met de positieve golf van de ingangssinusgolf. Het nadeel van deze constructie is de lage belastbaarheid van de gelijkrichter, evenals het feit dat de condensator C2 onder het dubbele van de spanningswaarde ligt. Daarom wordt een dergelijke schakeling in de radiotechniek gebruikt voor het verdubbelen van de gelijkrichting van zwakstroomsignalen voor amplitudedetectoren, als meetelement in automatische versterkingsregelingsschakelingen, enz.
In de elektrotechniek en vermogenselektronica wordt een andere versie van het verdubbelingsschema gebruikt.
De verdubbelaar, geassembleerd volgens het Latour-schema, heeft een groot laadvermogen. Elk van de condensatoren staat onder ingangsspanning, dus qua gewicht en grootte presteert deze optie ook beter dan de vorige. Tijdens de positieve halve cyclus wordt de condensator C1 opgeladen, tijdens de negatieve - C2. Condensatoren zijn in serie geschakeld en in relatie tot de belasting - parallel, dus de spanning over de belasting is gelijk aan de som spanning van geladen condensatoren. De rimpelfrequentie is gelijk aan tweemaal de frequentie van de netspanning, en de waarde hangt af van: van de waarde van capaciteiten. Hoe groter ze zijn, hoe minder rimpeling. En hier is het noodzakelijk om een redelijk compromis te vinden.
Het nadeel van het circuit is het verbod om een van de belastingsklemmen te aarden - een van de diodes of condensatoren zal in dit geval worden kortgesloten.
Dit circuit kan een willekeurig aantal keren worden gecascadeerd. Dus als je het principe van opname twee keer herhaalt, kun je een circuit krijgen met viervoudige spanning, enz.
De eerste condensator in het circuit moet bestand zijn tegen de spanning van de voeding, de rest - tweemaal de voedingsspanning. Alle kleppen moeten geschikt zijn voor dubbele sperspanning. Voor een betrouwbare werking van het circuit moeten alle parameters natuurlijk een marge van minimaal 20% hebben.
Als er geen geschikte diodes zijn, kunnen deze in serie worden geschakeld - in dit geval zal de maximaal toegestane spanning met een factor 1 toenemen. Maar parallel aan elke diode moeten egalisatieweerstanden worden aangesloten. Dit moet gebeuren, omdat anders door de spreiding van de parameters van de kleppen de sperspanning ongelijkmatig over de diodes kan worden verdeeld. Het resultaat kan de overschrijding van de grootste waarde voor een van de diodes zijn. En als elk element van de ketting wordt overbrugd met een weerstand (hun waarde moet hetzelfde zijn), dan wordt de sperspanning precies hetzelfde verdeeld. De weerstand van elke weerstand moet ongeveer 10 keer minder zijn dan de sperweerstand van de diode. In dit geval zal het effect van extra elementen op de werking van het circuit worden geminimaliseerd.
Parallelschakeling van diodes in dit circuit is waarschijnlijk niet nodig, de stromen zijn hier klein. Maar het kan nuttig zijn in andere gelijkrichtercircuits waar de belasting veel stroom verbruikt. Parallelle verbinding vermenigvuldigt de toegestane stroom door de klep, maar alles bederft de afwijking van de parameters. Als gevolg hiervan kan één diode de meeste stroom opnemen en deze niet weerstaan. Om dit te voorkomen wordt met elke diode een weerstand in serie geplaatst.
De weerstandswaarde is zo gekozen dat bij de maximale stroom de spanningsval erover 1 volt is. Dus bij een stroomsterkte van 1 A moet de weerstand 1 ohm zijn. Het vermogen moet in dit geval minimaal 1 watt zijn.
In theorie kan de spanningsveelvoud oneindig worden vergroot. In de praktijk moet eraan worden herinnerd dat het draagvermogen van dergelijke gelijkrichters bij elke extra trap sterk daalt. Als gevolg hiervan kunt u in een situatie komen waarin de spanningsval over de belasting de vermenigvuldigingsfactor overschrijdt en de werking van de gelijkrichter zinloos maakt. Dit nadeel is inherent aan al dergelijke regelingen.
Vaak worden dergelijke spanningsvermenigvuldigers geproduceerd als een enkele module met een goede isolatie. Soortgelijke apparaten werden bijvoorbeeld gebruikt om hoogspanning te creëren in televisies of oscilloscopen met een kathodestraalbuis als monitor. Verdubbelingsschema's met smoorspoelen zijn ook bekend, maar ze hebben geen distributie ontvangen - wikkelonderdelen zijn moeilijk te vervaardigen en niet erg betrouwbaar in gebruik.
Er zijn veel gelijkrichtercircuits. Gezien de brede reikwijdte van dit knooppunt is het belangrijk om bewust om te gaan met de keuze van de schakeling en de berekening van de elementen. Alleen in dit geval is een lange en betrouwbare werking gegarandeerd.
Vergelijkbare artikelen:
