Elektrisk energi transporteres og omdannes bekvemt i form af en vekselspænding. Det er i denne form, at det leveres til den endelige forbruger. Men mange enheder har stadig brug for jævnspænding.
Indhold
Ensretter i elektroteknik
Ensrettere bruges til at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm. Denne enhed er meget udbredt og de vigtigste anvendelsesområder for ensrettere inden for radio- og elektroteknik:
- dannelse af jævnstrøm til elektriske kraftinstallationer (traktionsstationer, elektrolyseanlæg, synkrone generatorers excitationssystemer) og kraftige jævnstrømsmotorer;
- strømforsyninger til elektronisk udstyr;
- detektion af modulerede radiosignaler;
- Generering af direkte spænding, der er proportional med indgangssignalniveauet, til opbygning af automatiske forstærkningsstyringssystemer.
Der findes mange forskellige anvendelsesmuligheder for ensrettere, og det er ikke muligt at opregne dem alle i én oversigt.
Principper for ensrettere
Ensretningsenheder er baseret på princippet om elementernes ensrettede ledningsevne. Dette kan gøres på forskellige måder. Mange metoder til industrielle anvendelser hører fortiden til - f.eks. brugen af mekaniske synkronmaskiner eller elektrovakuumsanordninger. I dag anvendes der ventiler, der leder strømmen til den ene side. For ikke så længe siden blev kviksølvsanordninger brugt til højtydende ensrettere. I dag er de stort set blevet erstattet af halvlederelementer (silicium).
Typiske diagrammer for ensrettere
Ensretningsanordninger kan konstrueres efter forskellige principper. Når man analyserer ensretterdiagrammer, skal man huske, at spændingen ved udgangen af en ensretter kun kan betegnes som konstant på konventionel vis. Denne enhed producerer en pulserende ensrettet spænding, som i de fleste tilfælde skal udjævnes med filtre. Nogle forbrugere kræver også stabilisering af den ensrettede spænding.
Enfasede ensrettere
Den enkleste vekselstrømsligretter er en enkelt diode.
Den sender den positive halvbølge af sinusbølgen videre til forbrugeren og "afskærer" den negative halvbølge.
Anvendelsesområdet for en sådan enhed er lille - hovedsageligt, Ensrettere i switched-mode strømforsyningerEnsretteren har et begrænset anvendelsesområde, hovedsagelig i ensrettere til koblingsstrømforsyninger, der arbejder ved relativt høje frekvenser. Selv om den leverer strøm i én retning, har den betydelige ulemper:
- høj ripple - en stor og besværlig kondensator ville være nødvendig for at udjævne og producere en konstant strøm;
- Underudnyttelse af nedtrapnings- (eller optrapnings-) transformatorkapaciteten, hvilket fører til øgede vægt- og størrelseskrav;
- Den gennemsnitlige udgangs-EMF er mindre end halvdelen af den indgående EMF;
- højere diodekrav (på den anden side er der kun brug for én ventil).
Den mest udbredte er derfor Kredsløb med dobbelt halvperiode (bro).
Her strømmer strømmen gennem belastningen to gange pr. periode i samme retning:
- Den positive halvbølge langs den vej, der er angivet med de røde pile;
- den negative halvbølge langs den vej, der er angivet med de grønne pile.
Den negative halvbølge går ikke tabt og bruges også, så indgangstransformatorens effekt udnyttes bedre. Den gennemsnitlige EMF er dobbelt så stor som den gennemsnitlige EMF i den enkelte halvbølgeversion. Den pulserende strømbølgeform er meget tættere på en ret linje, men der er stadig behov for en udglatningskondensator. Dens kapacitet og dimensioner vil være mindre end i det foregående tilfælde, fordi ripple-frekvensen er dobbelt så høj som netspændingens frekvens.
Hvis der findes en transformator med to identiske viklinger, som kan sættes i serie eller med en vikling, der er aftagende fra midten, kan der konstrueres en dobbelthalvperiode-ligretter i et andet kredsløb.
Det er faktisk en fordobling af ensretteren med en enkelt halvperiode, men har fordelen af den dobbelte halvperiode. Ulempen er, at en transformer skal have en særlig udformning.
Hvis transformeren er lavet af en amatør, er der ingen hindring for at vikle sekundæret som ønsket, men jernet skal være noget for stort. I stedet for 4 dioder anvendes der kun 2 dioder. Dette vil kompensere for tabet af masse og endda vinde.
Hvis ensretteren er konstrueret til høj strøm, og ventilerne skal monteres på køleplader, giver det en betydelig besparelse at installere halvt så mange dioder som muligt. Bemærk også, at denne ensretter har dobbelt så stor intern modstand som et brokredsløb, så opvarmningen af transformatorviklingerne og de dermed forbundne tab vil også være større.
Trefasede ensrettere
Ud fra det foregående diagram er det logisk at gå videre til en ensretter af trefasespænding, der er samlet efter et lignende princip.
Udgangsspændingens form er meget tættere på en lige linje, ripple-niveauet er kun 14 %, og frekvensen er lig med tre gange netspændingsfrekvensen.
Kilden i dette kredsløb er dog stadig en enkelt halvperiodisk ensretter, så mange af ulemperne kan ikke undgås, selv med en trefaset spændingskilde. Den største ulempe er, at transformeren ikke udnyttes fuldt ud, og at den gennemsnitlige EMF er 1,17⋅E2eff (effektiv sekundær EMF fra transformeren).
De bedste parametre er givet af det trefasede brokredsløb.
Her er udgangsspændingens ripple-amplitude den samme 14 %, men frekvensen er lig med vekselstrømsindgangsspændingens lavere frekvens, så filterkondensatorens kapacitet vil være den mindste af alle de præsenterede muligheder. Og udgangs-EMF'en vil være dobbelt så høj som i det foregående kredsløb.
Denne ensretter anvendes med en udgangstransformator med et stjernesekundært sekundærled, men det samme ventilarrangement vil være meget mindre effektivt, når det anvendes med en delta-udgangstransformator.
Her er amplituden og frekvensen af krusningen den samme som i det foregående arrangement. Den gennemsnitlige EMF er dog en faktor to mindre end i det foregående kredsløb. Derfor anvendes denne forbindelse sjældent.
Ensrettere med spændingsmultiplikation
Det er muligt at konstruere en ensretter, hvis udgangsspænding er et multiplum af indgangsspændingen. Der findes f.eks. kredsløb med spændingsfordobling:
Her oplades kondensator C1 i den negative halvcyklus og kobles i serie med den positive bølge af indgangssinusbølgen. Ulempen ved denne konstruktion er ensretterens lave belastningskapacitet og det faktum, at kondensator C2 er under den dobbelte spændingsværdi. Derfor anvendes en sådan ordning i radioteknik til at ensrette med fordobling af lav-effekt-signaler til amplitude-detektorer, som et målegeme i automatiske forstærkningskontrolkredsløb osv.
Inden for elektroteknik og effektelektronik anvendes en anden variant af fordoblingskredsløb.
En fordobler, der er monteret i henhold til Latours kredsløb, har en stor belastningskapacitet. Hver af kondensatorerne er under indgangsspændingen, så med hensyn til masse og dimensioner vinder denne variant også over den foregående. Kondensator C1 oplades i den positive halvperiode og C2 i den negative halvperiode. Kondensatorerne er forbundet i serie og parallelt med belastningen, så spændingen over belastningen er summen af af spændingerne i de opladede kondensatorer. Frekvensen af ripple er lig med det dobbelte af linjespændingens frekvens, og størrelsen afhænger af på værdien af kapacitansen. Jo højere kapacitans, jo lavere ripple. Også her skal der findes et fornuftigt kompromis.
Ulempen ved dette kredsløb er, at en af lastterminalerne ikke må være jordet - i dette tilfælde vil en af dioderne eller kondensatorerne blive kortsluttet.
Dette kredsløb kan kaskaderes et vilkårligt antal gange. Ved at gentage skifteprincippet to gange er det således muligt at opnå et kredsløb med en firedobling af spændingen osv.
Den første kondensator i kredsløbet skal kunne modstå spændingen fra strømforsyningen, de andre skal kunne modstå dobbelt så meget som forsyningsspændingen. Alle låger skal være beregnet til dobbelt omvendt spænding. For at kredsløbet kan fungere pålideligt, skal alle parametre naturligvis have en margin på mindst 20 %.
Hvis der ikke er nogen passende dioder til rådighed, kan de forbindes i serie, hvilket vil øge den maksimalt tilladte spænding med en multipel. Men parallelt med hver diode skal der medtages udligningsmodstande. Dette skal gøres, da den omvendte spænding ellers kan blive ujævnt fordelt mellem dioderne på grund af variationen i gateparametrene. Dette kan resultere i, at den højeste værdi for en af dioderne overskrides. Og hvis hvert kædeelement overbrydes med en modstand (deres nominelle værdi skal være den samme), vil den omvendte spænding blive fordelt strengt ligeligt. Modstanden for hver modstand skal være ca. 10 gange mindre end diodens omvendte modstand. I dette tilfælde vil virkningen af yderligere elementer på kredsløbets funktion blive minimeret.
Parallelforbindelse af dioder i dette kredsløb er næppe nødvendig, da strømmene ikke er høje. Men det kan være nyttigt i andre ensretterkredsløb, hvor belastningen trækker meget strøm. Parallelforbindelse multiplicerer den tilladte strøm gennem ventilen, men forstyrrer variationen i parametrene. Som følge heraf kan en diode tage den største strøm og ikke være i stand til at håndtere den. For at undgå dette placeres der en modstand i serie med hver diode.
Modstanden er valgt således, at spændingsfaldet over modstanden ved den maksimale strøm er 1 volt ved den maksimale strøm. Så for en strøm på 1 A skal modstanden være 1 ohm. Effekten skal i dette tilfælde være på mindst 1 W.
I teorien kan spændingsmultiplikatorerne øges til uendelig. I praksis skal du huske, at belastningskapaciteten af sådanne ensrettere falder kraftigt med hvert ekstra trin. Resultatet kan være en situation, hvor spændingsfaldet på belastningen overstiger multiplikationsmultiplikatoren og gør ensretteren meningsløs. Denne ulempe er fælles for alle disse kredsløb.
Ofte fremstilles disse spændingsforøgerne som et enkelt modul i god isolering. Sådanne anordninger er f.eks. blevet brugt til at generere højspænding i fjernsyn eller oscilloskoper med et katodestrålerør som skærm. Fordoblingskredsløb med induktionsspoler er også kendt, men er ikke blevet udbredt - viklingsdelene er vanskelige at fremstille og ikke særlig pålidelige i drift.
Der findes en hel del forskellige ensretterordninger. I betragtning af de mange anvendelsesmuligheder for denne enhed er det vigtigt at vælge kredsløbet og beregne elementerne med omtanke. Kun på den måde er der garanti for en lang og pålidelig drift.
Relaterede artikler:
