Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται και μετατρέπεται με τη μορφή εναλλασσόμενης τάσης. Σε αυτή τη μορφή παραδίδεται στον τελικό καταναλωτή. Πολλές συσκευές όμως εξακολουθούν να χρειάζονται τροφοδοσία συνεχούς τάσης.
Περιεχόμενο
Ανορθωτές στην ηλεκτρική μηχανική
Οι ανορθωτές χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή εναλλασσόμενων ρευμάτων σε συνεχή ρεύματα. Η συσκευή αυτή χρησιμοποιείται ευρέως και οι κύριοι τομείς χρήσης των ανορθωτών είναι η ραδιοφωνία και η ηλεκτρολογία:
- σχηματισμό συνεχούς ρεύματος για ηλεκτρικές εγκαταστάσεις ισχύος (υποσταθμοί έλξης, μονάδες ηλεκτρόλυσης, συστήματα διέγερσης σύγχρονων γεννητριών) και ισχυρούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος,
- τροφοδοτικά για ηλεκτρονικές συσκευές,
- ανίχνευση διαμορφωμένων ραδιοσημάτων,
- Παραγωγή άμεσης τάσης ανάλογης με τη στάθμη του σήματος εισόδου για την κατασκευή συστημάτων αυτόματου ελέγχου του κέρδους.
Το πλήρες φάσμα των εφαρμογών των ανορθωτών είναι τεράστιο και δεν είναι δυνατόν να απαριθμηθούν όλες σε μια επισκόπηση.
Αρχές ανορθωτή
Οι διατάξεις ανορθωτή βασίζονται στην αρχή της μονόδρομης αγωγιμότητας των στοιχείων. Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Πολλοί τρόποι για τις βιομηχανικές εφαρμογές ανήκουν στο παρελθόν - για παράδειγμα, η χρήση μηχανικών σύγχρονων μηχανών ή συσκευών ηλεκτροκεντρισμού. Σήμερα χρησιμοποιούνται βαλβίδες που διοχετεύουν το ρεύμα προς τη μία πλευρά. Πριν από λίγο καιρό, οι διατάξεις υδραργύρου χρησιμοποιούνταν για ανορθωτές υψηλής ισχύος. Σήμερα, αυτά έχουν πρακτικά αντικατασταθεί από στοιχεία ημιαγωγών (πυριτίου).
Τυπικά διαγράμματα ανορθωτή
Οι συσκευές ανόρθωσης μπορούν να κατασκευαστούν σύμφωνα με διαφορετικές αρχές. Κατά την ανάλυση των διαγραμμάτων ανορθωτών, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η τάση στην έξοδο οποιουδήποτε ανορθωτή μπορεί να χαρακτηριστεί σταθερή μόνο συμβατικά. Η μονάδα αυτή παράγει μια παλλόμενη μονόδρομη τάση, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις πρέπει να εξομαλύνεται με φίλτρα. Ορισμένοι καταναλωτές απαιτούν επίσης σταθεροποίηση της ανορθωμένης τάσης.
Μονοφασικοί ανορθωτές
Ο απλούστερος ανορθωτής εναλλασσόμενου ρεύματος είναι μια μονή δίοδος.
Περνάει το θετικό μισό κύμα του ημιτονοειδούς κύματος στον καταναλωτή και "κόβει" το αρνητικό μισό κύμα.
Το πεδίο εφαρμογής μιας τέτοιας συσκευής είναι μικρό - κυρίως, Ανορθωτές σε τροφοδοτικά διακοπτόμενης λειτουργίαςΟ ανορθωτής έχει περιορισμένο εύρος εφαρμογών, κυρίως σε ανορθωτές για διακοπτικά τροφοδοτικά που λειτουργούν σε σχετικά υψηλές συχνότητες. Αν και παρέχει ρεύμα που ρέει προς μία κατεύθυνση, έχει σημαντικά μειονεκτήματα:
- υψηλό επίπεδο κυμάτωσης - θα χρειαζόταν ένας μεγάλος και δυσκίνητος πυκνωτής για να εξομαλύνει και να παράγει σταθερό ρεύμα,
- Υποαξιοποίηση της χωρητικότητας του μετασχηματιστή υποβιβασμού (ή ανύψωσης), που οδηγεί σε αυξημένες απαιτήσεις βάρους και μεγέθους,
- Η μέση ΗΜΣ εξόδου είναι μικρότερη από το μισό της ΗΜΣ εισόδου,
- υψηλότερες απαιτήσεις σε διόδους (από την άλλη πλευρά - απαιτείται μόνο μία βαλβίδα).
Ως εκ τούτου, το πιο διαδεδομένο είναι Κύκλωμα διπλής ημιπεριόδου (γέφυρα).
Εδώ, το ρεύμα διαρρέει το φορτίο δύο φορές ανά περίοδο προς την ίδια κατεύθυνση:
- Το θετικό ημικύμα κατά μήκος της διαδρομής που υποδεικνύεται από τα κόκκινα βέλη,
- το αρνητικό ημίτονο κατά μήκος της διαδρομής που υποδεικνύεται από τα πράσινα βέλη.
Το αρνητικό μισό κύμα δεν χάνεται και χρησιμοποιείται επίσης, οπότε η ισχύς του μετασχηματιστή εισόδου χρησιμοποιείται πληρέστερα. Η μέση ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι διπλάσια από εκείνη της έκδοσης με ένα μόνο ημικύκλιο. Η παλλόμενη κυματομορφή ρεύματος είναι πολύ πιο κοντά σε μια ευθεία γραμμή, αλλά εξακολουθεί να απαιτείται ένας πυκνωτής εξομάλυνσης. Η χωρητικότητα και οι διαστάσεις του θα είναι μικρότερες από την προηγούμενη περίπτωση, επειδή η συχνότητα κυμάτωσης είναι διπλάσια από τη συχνότητα της τάσης δικτύου.
Εάν υπάρχει ένας μετασχηματιστής με δύο όμοια τυλίγματα που μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή με το τύλιγμα να εκλεπτύνεται από το κέντρο, μπορεί να κατασκευαστεί ένας ανορθωτής διπλής μισής περιόδου σε διαφορετικό κύκλωμα.
Πρόκειται στην πραγματικότητα για διπλασιασμό του ανορθωτή μονής ημιπεριόδου, αλλά έχει το πλεονέκτημα της διπλής ημιπεριόδου. Το μειονέκτημα είναι ότι ο μετασχηματιστής πρέπει να έχει συγκεκριμένο σχεδιασμό.
Εάν ο μετασχηματιστής κατασκευάζεται ερασιτεχνικά, δεν υπάρχει κανένα εμπόδιο για την περιέλιξη του δευτερεύοντος όπως απαιτείται, αλλά το σίδερο πρέπει να είναι κάπως υπερμεγέθη. Αντί για 4 διόδους χρησιμοποιούνται μόνο 2. Αυτό θα αντισταθμίσει την απώλεια μάζας και ακόμη και το κέρδος.
Εάν ο ανορθωτής έχει σχεδιαστεί για υψηλό ρεύμα και οι βαλβίδες πρέπει να τοποθετηθούν σε ψύκτρες, τότε η εγκατάσταση του μισού αριθμού διόδων προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση. Σημειώστε επίσης ότι αυτός ο ανορθωτής έχει διπλάσια εσωτερική αντίσταση σε σύγκριση με ένα κύκλωμα γέφυρας, οπότε η θέρμανση των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή και οι σχετικές απώλειες θα είναι επίσης υψηλότερες.
Τριφασικοί ανορθωτές
Από το προηγούμενο διάγραμμα είναι λογικό να προχωρήσουμε σε έναν ανορθωτή τριφασικής τάσης, συναρμολογημένο με παρόμοια αρχή.
Το σχήμα της τάσης εξόδου είναι πολύ πιο κοντά σε μια ευθεία γραμμή, το επίπεδο κυμάτωσης είναι μόνο 14% και η συχνότητα είναι ίση με το τριπλάσιο της συχνότητας της τάσης γραμμής.
Παρόλα αυτά, η πηγή αυτού του κυκλώματος είναι ένας ανορθωτής μονής μισής περιόδου, οπότε πολλά από τα μειονεκτήματα δεν μπορούν να αποφευχθούν ακόμη και με μια τριφασική πηγή τάσης. Το κύριο μειονέκτημα είναι ότι ο μετασχηματιστής δεν αξιοποιείται πλήρως και η μέση ΗΜΣ είναι 1,17⋅E2eff (αποτελεσματική δευτερεύουσα ΗΜΣ του μετασχηματιστή).
Οι καλύτερες παράμετροι δίνονται από το τριφασικό κύκλωμα γέφυρας.
Εδώ, το πλάτος κυμάτωσης της τάσης εξόδου είναι το ίδιο 14%, αλλά η συχνότητα είναι ίση με την κατώτερη συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εισόδου, οπότε η χωρητικότητα του πυκνωτή φίλτρου θα είναι η μικρότερη από όλες τις επιλογές που παρουσιάζονται. Και η ΗΕΔ εξόδου θα είναι διπλάσια από το προηγούμενο κύκλωμα.
Ο ανορθωτής χρησιμοποιείται με έναν μετασχηματιστή που έχει έξοδο αστέρα, αλλά η ίδια διάταξη βαλβίδων θα είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική με έναν μετασχηματιστή εξόδου τρίγωνο.
Εδώ το πλάτος και η συχνότητα του κυματισμού είναι τα ίδια με την προηγούμενη διάταξη. Ωστόσο, ο μέσος όρος του ΗΜΠ είναι ένας παράγοντας του ενός. Ως εκ τούτου, η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται σπάνια.
Ανορθωτές με πολλαπλασιασμό τάσης
Είναι δυνατή η κατασκευή ανορθωτή, η τάση εξόδου του οποίου είναι πολλαπλάσια της τάσης εισόδου. Για παράδειγμα, υπάρχουν κυκλώματα με διπλασιασμό τάσης:
Εδώ, ο πυκνωτής C1 φορτίζεται κατά τη διάρκεια του αρνητικού ημικύκλου και ενεργοποιείται σε σειρά με το θετικό κύμα του ημιτονοειδούς κύματος εισόδου. Το μειονέκτημα αυτής της κατασκευής είναι η χαμηλή χωρητικότητα φορτίου του ανορθωτή και το γεγονός ότι ο πυκνωτής C2 βρίσκεται κάτω από τη διπλάσια τιμή τάσης. Ως εκ τούτου, ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιείται στη ραδιομηχανική για την ανόρθωση με διπλασιασμό των σημάτων χαμηλής ισχύος για ανιχνευτές πλάτους, ως όργανο μέτρησης σε κυκλώματα αυτόματου ελέγχου κέρδους, κ.λπ.
Στην ηλεκτρολογία και τα ηλεκτρονικά ισχύος χρησιμοποιείται μια άλλη παραλλαγή του κυκλώματος διπλασιασμού.
Ένας διπλασιαστής που συναρμολογείται σύμφωνα με το κύκλωμα του Latour έχει μεγάλη χωρητικότητα φόρτωσης. Κάθε ένας από τους πυκνωτές βρίσκεται κάτω από την τάση εισόδου, οπότε από άποψη μάζας και διαστάσεων αυτή η παραλλαγή κερδίζει επίσης έναντι της προηγούμενης. Ο πυκνωτής C1 φορτίζεται κατά τη θετική ημιπερίοδο και ο C2 κατά την αρνητική ημιπερίοδο. Οι πυκνωτές είναι συνδεδεμένοι σε σειρά και παράλληλα με το φορτίο, οπότε η τάση στο φορτίο είναι το άθροισμα των τάσεων των φορτισμένων πυκνωτών. Η συχνότητα της κυμάτωσης είναι ίση με το διπλάσιο της συχνότητας της τάσης γραμμής και η τιμή της εξαρτάται από στην τιμή της χωρητικότητας. Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα, τόσο μικρότερη είναι η κυμάτωση. Και εδώ πρέπει να βρεθεί ένας λογικός συμβιβασμός.
Το μειονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι ότι ένας από τους ακροδέκτες φορτίου δεν πρέπει να είναι γειωμένος - σε αυτή την περίπτωση μία από τις διόδους ή τους πυκνωτές θα βραχυκυκλωθεί.
Αυτό το κύκλωμα μπορεί να κλιμακωθεί πολλές φορές. Έτσι, επαναλαμβάνοντας την αρχή της μεταγωγής δύο φορές, είναι δυνατόν να προκύψει ένα κύκλωμα με τετραπλασιασμό της τάσης κ.λπ.
Ο πρώτος πυκνωτής στο κύκλωμα πρέπει να μπορεί να αντέξει την τάση του τροφοδοτικού, ενώ οι υπόλοιποι πρέπει να αντέχουν το διπλάσιο της τάσης τροφοδοσίας. Όλες οι πύλες πρέπει να είναι ονομαστικές για διπλάσια αντίστροφη τάση. Φυσικά, για να λειτουργεί το κύκλωμα αξιόπιστα, όλες οι παράμετροι πρέπει να έχουν περιθώριο τουλάχιστον 20%.
Εάν δεν υπάρχουν κατάλληλες δίοδοι, μπορούν να συνδεθούν σε σειρά, γεγονός που θα αυξήσει τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση κατά ένα πολλαπλάσιο. Παράλληλα όμως με κάθε δίοδο πρέπει να περιλαμβάνονται αντιστάσεις εξισορρόπησης. Αυτό πρέπει να γίνει, διότι διαφορετικά η ανάστροφη τάση μπορεί να κατανεμηθεί ανομοιόμορφα μεταξύ των διόδων λόγω της μεταβολής των παραμέτρων της πύλης. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την υπέρβαση της υψηλότερης τιμής για μία από τις διόδους. Και αν κάθε στοιχείο της αλυσίδας γεφυρώνεται από μια αντίσταση (η ονομαστική τους τιμή πρέπει να είναι η ίδια), τότε η αντίστροφη τάση θα κατανεμηθεί αυστηρά ισόποσα. Η αντίσταση κάθε αντίστασης πρέπει να είναι περίπου 10 φορές μικρότερη από την αντίστροφη αντίσταση της διόδου. Σε αυτή την περίπτωση η επίδραση των πρόσθετων στοιχείων στη λειτουργία του κυκλώματος θα ελαχιστοποιηθεί.
Η παράλληλη σύνδεση των διόδων σε αυτό το κύκλωμα είναι ελάχιστα απαραίτητη, τα ρεύματα δεν είναι υψηλά. Μπορεί όμως να είναι χρήσιμο σε άλλα κυκλώματα ανορθωτή όπου το φορτίο αντλεί σοβαρή ισχύ. Η παράλληλη σύνδεση πολλαπλασιάζει το επιτρεπόμενο ρεύμα μέσω της βαλβίδας, αλλά μπερδεύει τη διακύμανση των παραμέτρων. Ως αποτέλεσμα, μία δίοδος μπορεί να πάρει το μεγαλύτερο ρεύμα και να μην είναι σε θέση να το διαχειριστεί. Για να αποφευχθεί αυτό, μια αντίσταση τοποθετείται σε σειρά με κάθε δίοδο.
Η ονομαστική τιμή του αντιστάτη επιλέγεται έτσι ώστε στο μέγιστο ρεύμα η πτώση τάσης σε αυτόν να είναι 1 volt. Έτσι, για ρεύμα 1 Α, η αντίσταση πρέπει να είναι 1 Ω. Η ισχύς σε αυτή την περίπτωση πρέπει να είναι τουλάχιστον 1 W.
Θεωρητικά, η πολλαπλότητα της τάσης μπορεί να αυξηθεί στο άπειρο. Στην πράξη, να θυμάστε ότι η χωρητικότητα φορτίου τέτοιων ανορθωτών μειώνεται απότομα με κάθε πρόσθετο στάδιο. Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι μια κατάσταση όπου η πτώση της τάσης στο φορτίο υπερβαίνει την πολλαπλότητα του πολλαπλασιασμού και καθιστά τον ανορθωτή άσκοπο. Αυτό το μειονέκτημα είναι κοινό για όλα αυτά τα κυκλώματα.
Συχνά αυτοί οι πολλαπλασιαστές τάσης παράγονται ως ενιαία μονάδα με καλή μόνωση. Τέτοιες συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για την παραγωγή υψηλής τάσης σε τηλεοράσεις ή παλμογράφους με καθοδικό σωλήνα ως οθόνη. Τα κυκλώματα διπλασιασμού που χρησιμοποιούν πηνία είναι επίσης γνωστά, αλλά δεν έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα - τα εξαρτήματα περιέλιξης είναι δύσκολο να κατασκευαστούν και δεν είναι πολύ αξιόπιστα στη λειτουργία.
Υπάρχουν αρκετά διαθέσιμα συστήματα ανορθωτών. Δεδομένου του ευρέος φάσματος εφαρμογών αυτής της μονάδας, είναι σημαντικό να προσεγγίσετε συνειδητά την επιλογή του κυκλώματος και τον υπολογισμό των στοιχείων. Μόνο τότε είναι εγγυημένη η μακροχρόνια και αξιόπιστη λειτουργία.
Σχετικά άρθρα:
