Električna energija se priročno prenaša in pretvarja v velikosti v obliki izmenične napetosti. V tej obliki se dostavi končnemu potrošniku. Toda za napajanje številnih naprav še vedno potrebujete konstantno napetost.
Vsebina
Zakaj potrebujemo usmernik v elektrotehniki
Naloga pretvorbe izmenične napetosti v enosmerno je dodeljena usmernikom. Ta naprava se pogosto uporablja, glavna področja uporabe usmerjevalnih naprav v radiu in elektrotehniki pa so:
- tvorba enosmernega toka za električne električne instalacije (vlečne postaje, elektrolizne naprave, vzbujevalni sistemi sinhronih generatorjev) in močnih enosmernih motorjev;
- napajalniki za elektronske naprave;
- zaznavanje moduliranih radijskih signalov;
- oblikovanje konstantne napetosti, sorazmerne z nivojem vhodnega signala za izgradnjo sistemov za avtomatsko regulacijo ojačenja.
Celoten obseg usmernikov je obsežen in ga je nemogoče našteti v okviru enega pregleda.
Načela delovanja usmernikov
Delovanje usmerjevalnih naprav temelji na lastnosti enostranske prevodnosti elementov. To lahko storite na različne načine. Številni načini za industrijsko uporabo so postali preteklost, na primer uporaba mehanskih sinhronih strojev ali elektrovakuumskih naprav. Zdaj se uporabljajo ventili, ki vodijo tok v eno smer. Ne tako dolgo nazaj so bile živosrebrne naprave uporabljene za usmernike velike moči. Trenutno jih praktično nadomestijo polprevodniški (silicijevi) elementi.
Tipična usmerniška vezja
Usmerjevalno napravo je mogoče zgraditi po različnih principih. Pri analizi tokokrogov naprave je treba zapomniti, da lahko konstantno napetost na izhodu katerega koli usmernika imenujemo le pogojno. To vozlišče proizvaja pulzirajočo enosmerno napetost, ki jo je treba v večini primerov zgladiti s filtri. Nekateri porabniki zahtevajo tudi stabilizacijo popravljene napetosti.
Enofazni usmerniki
Najpreprostejši usmernik izmenične napetosti je ena dioda.
Pozitivne polovične valove sinusoida prenaša na potrošnika in "odreže" negativne.
Obseg takšne naprave je majhen - v glavnem, stikalni napajalni usmernikidelujejo na relativno visokih frekvencah. Čeprav proizvaja tok, ki teče v eno smer, ima pomembne pomanjkljivosti:
- visoka stopnja valovanja - za glajenje in pridobivanje enosmernega toka boste potrebovali velik in zajeten kondenzator;
- nepopolna uporaba moči padajočega (ali povečevalnega) transformatorja, kar vodi do povečanja zahtevanih kazalnikov teže in velikosti;
- povprečni EMF na izhodu je manjši od polovice dobavljenega EMF;
- povečane zahteve za diodo (po drugi strani pa je potreben samo en ventil).
Zato bolj razširjena polnovalni (mostni) krog.
Tukaj tok teče skozi obremenitev dvakrat na obdobje v eni smeri:
- pozitivni polovični val vzdolž poti, označene z rdečimi puščicami;
- negativni polovični val vzdolž poti, označene z zelenimi puščicami.
Negativni val ne izgine, ampak se tudi uporablja, zato je moč vhodnega transformatorja izkoriščena bolj polno. Povprečni EMF je dvakrat večji kot pri različici s pol vala. Oblika valovitega toka je veliko bližja ravni črti, vendar je še vedno potreben izravnalni kondenzator. Njegova zmogljivost in dimenzije bodo manjše kot v prejšnjem primeru, ker je frekvenca valovanja dvakrat večja od frekvence omrežne napetosti.
Če obstaja transformator z dvema enakima navitjema, ki sta lahko povezana zaporedno ali z navitjem, ki ima pipo od sredine, je mogoče zgraditi polnovalni usmernik po drugačni shemi.
Ta možnost je pravzaprav dvojno vezje polvalovnega usmernika, vendar ima vse prednosti polvalovnega usmernika. Pomanjkljivost je potreba po uporabi transformatorja posebne zasnove.
Če je transformator izdelan v amaterskih pogojih, ni ovir za navijanje sekundarnega navitja, kot je zahtevano, vendar bo treba uporabiti nekoliko večje železo. Toda namesto 4 diod se uporabljata le 2. To bo omogočilo kompenzacijo izgube kazalnikov teže in velikosti in celo zmago.
Če je usmernik zasnovan za visok tok in je treba ventile namestiti na radiatorje, potem namestitev polovice števila diod daje znatne prihranke. Upoštevati je treba tudi, da ima takšen usmernik dvakrat večjo notranjo upornost v primerjavi s tistim, ki je sestavljen v premostitvenem tokokrogu, zato bo tudi segrevanje navitij transformatorja in s tem povezane izgube večje.
Trifazni usmerniki
Iz prejšnjega vezja je logično, da preidemo na trifazni napetostni usmernik, sestavljen po podobnem principu.
Oblika izhodne napetosti je veliko bližja ravni črti, raven valovanja je le 14 %, frekvenca pa je enaka trikratni frekvenci omrežne napetosti.
In vendar je vir tega vezja polvalovni usmernik, zato mnogih pomanjkljivosti ni mogoče premagati niti s trifaznim virom napetosti. Glavna je nepopolna izraba moči transformatorja, povprečna EMF pa je 1,17⋅E2eff (efektivna vrednost EMF sekundarnega navitja transformatorja).
Najboljši parametri imajo trifazno mostno vezje.
Tukaj je amplituda valovanja izhodne napetosti enaka 14%, vendar je frekvenca enaka šesterokotni frekvenci vhodne izmenične napetosti, zato bo kapacitivnost filtrskega kondenzatorja najmanjša od vseh predstavljenih možnosti. In izhodni EMF bo dvakrat višji kot v prejšnjem vezju.
Ta usmernik se uporablja z izhodnim transformatorjem z zvezdastim sekundarnim navitjem, vendar bo isti ventilski sklop veliko manj učinkovit, če se uporablja v povezavi s transformatorjem, katerega izhod je povezan v trikotniku.
Tu sta amplituda in frekvenca pulzacij enaki kot v prejšnjem krogu. Toda povprečni EMF je v časih manjši kot v prejšnji shemi. Zato se ta vključitev redko uporablja.
Napetostni pomnoževalni usmerniki
Možno je zgraditi usmernik, katerega izhodna napetost bo večkratnik vhodne napetosti. Na primer, obstajajo vezja z podvojitvijo napetosti:
Tu se kondenzator C1 polni med negativnim polovičnim ciklom in se preklopi zaporedno s pozitivnim valom vhodnega sinusnega vala. Pomanjkljivost te konstrukcije je nizka nosilnost usmernika, pa tudi dejstvo, da je kondenzator C2 pod dvakratno vrednostjo napetosti. Zato se takšno vezje uporablja v radijski tehniki za podvojitev usmerjanja signalov nizke moči za amplitudne detektorje, kot merilni element v vezjih za avtomatsko regulacijo ojačanja itd.
V elektrotehniki in močnostni elektroniki se uporablja druga različica sheme podvajanja.
Dvojnik, sestavljen po shemi Latour, ima veliko nosilnost. Vsak od kondenzatorjev je pod vhodno napetostjo, zato je po teži in velikosti ta možnost tudi boljša od prejšnje. Med pozitivnim polciklom je kondenzator C1 napolnjen, med negativnim - C2. Kondenzatorji so povezani zaporedno, glede na obremenitev pa vzporedno, tako da je napetost na bremenu enaka vsoti napetost napolnjenih kondenzatorjev. Frekvenca valovanja je enaka dvakratni frekvenci omrežne napetosti, vrednost pa je odvisna od vrednosti zmogljivosti. Večji kot so, manj je valovanje. In tukaj je treba najti razumen kompromis.
Pomanjkljivost vezja je prepoved ozemljitve enega od obremenitvenih sponk - ena od diod ali kondenzatorjev bo v tem primeru v kratkem stiku.
To vezje je lahko kaskadno poljubno število krat. Torej, če dvakrat ponovite načelo vključitve, lahko dobite vezje s štirikratno napetostjo itd.
Prvi kondenzator v vezju mora vzdržati napetost napajalnika, preostali - dvakrat večjo napetost. Vsi ventili morajo biti ocenjeni za dvojno povratno napetost. Seveda morajo imeti vsi parametri za zanesljivo delovanje vezja najmanj 20-odstotno rezervo.
Če ni ustreznih diod, jih lahko povežete zaporedno - v tem primeru se bo največja dovoljena napetost povečala za faktor 1. Toda vzporedno z vsako diodo je treba priključiti izravnalne upore. To je treba storiti, saj se v nasprotnem primeru lahko zaradi širjenja parametrov ventilov povratna napetost neenakomerno porazdeli med diode. Rezultat je lahko presežek največje vrednosti za eno od diod. In če je vsak element verige ranžiran z uporom (njihova vrednost mora biti enaka), bo povratna napetost porazdeljena popolnoma enako. Upor vsakega upora mora biti približno 10-krat manjši od povratne upornosti diode. V tem primeru bo učinek dodatnih elementov na delovanje vezja minimalen.
Vzporedna povezava diod v tem vezju verjetno ne bo potrebna, tokovi so majhni. Lahko pa je uporaben v drugih usmerniških vezjih, kjer obremenitev porabi resno moč. Vzporedna povezava pomnoži dovoljeni tok skozi ventil, vendar vse pokvari odstopanje parametrov. Posledično lahko ena dioda prevzame najaktualnejšo in je ne zdrži. Da bi se temu izognili, je upor nameščen zaporedno z vsako diodo.
Vrednost upora je izbrana tako, da je pri največjem toku padec napetosti na njej 1 volt. Torej, pri toku 1 A mora biti upor 1 ohm. Moč v tem primeru mora biti najmanj 1 vat.
V teoriji se lahko večkratnost napetosti poveča za nedoločen čas. V praksi je treba zapomniti, da se nosilnost takšnih usmernikov močno zmanjša z vsako dodatno stopnjo. Posledično lahko pridete v situacijo, ko padec napetosti na bremenu preseže faktor množenja in oslabi delovanje usmernika. Ta pomanjkljivost je značilna za vse takšne sheme.
Pogosto so takšni napetostni množilci izdelani kot en sam modul z dobro izolacijo. Podobne naprave so bile na primer uporabljene za ustvarjanje visoke napetosti v televizorjih ali osciloskopih z katodno cevjo kot monitorjem. Znane so tudi sheme podvajanja z dušilkami, vendar niso prejele distribucije - dele navitja je težko izdelati in niso zelo zanesljivi pri delovanju.
Obstaja veliko usmerniških vezij. Glede na širok obseg tega vozlišča je pomembno, da se k izbiri vezja in izračunu elementov lotite zavestno. Le v tem primeru je zagotovljeno dolgo in zanesljivo delovanje.
Podobni članki:
