Sähköenergiaa voidaan kätevästi siirtää ja muuntaa vaihtojännitteen muodossa. Tässä muodossa se toimitetaan loppukuluttajalle. Moniin laitteisiin on kuitenkin edelleen syötettävä tasajännitettä.
Sisältö
Tasasuuntaajat sähkötekniikassa
Tasasuuntaajia käytetään vaihtovirran muuntamiseen tasavirraksi. Tätä laitetta käytetään laajalti, ja tasasuuntaajien tärkeimmät sovellusalueet ovat radiotekniikka ja sähkötekniikka:
- tasavirran muodostaminen sähkölaitteita (vetoasemat, elektrolyysilaitokset, synkronigeneraattorien herätejärjestelmät) ja tehokkaita tasavirtamoottoreita varten;
- elektronisten laitteiden virtalähteet;
- moduloitujen radiosignaalien havaitseminen;
- Tulosignaalin tasoon verrannollisen suoran jännitteen tuottaminen automaattisten vahvistuksen säätöjärjestelmien rakentamista varten.
Tasasuuntaajien sovellusten kirjo on laaja, eikä niitä kaikkia ole mahdollista luetella yhdessä katsauksessa.
Tasasuuntaajan periaatteet
Tasasuuntaajat perustuvat elementtien yksisuuntaisen johtavuuden periaatteeseen. Tämä voidaan tehdä eri tavoin. Monet teollisten sovellusten tavat ovat menneisyyttä - esimerkiksi mekaanisten synkronikoneiden tai sähköimurilaitteiden käyttö. Nykyään käytetään venttiileitä, jotka johtavat virran toiselle puolelle. Vielä vähän aikaa sitten elohopealaitteita käytettiin suuritehoisissa tasasuuntaajissa. Nykyään puolijohde-elementit (pii) ovat käytännössä syrjäyttäneet ne.
Tyypilliset tasasuuntaajan kaaviot
Tasasuuntauslaitteet voidaan rakentaa eri periaatteiden mukaisesti. Tasasuuntaajakaavioita analysoitaessa on muistettava, että tasasuuntaajan ulostulon jännitettä voidaan kutsua vakioksi vain tavanomaisesti. Tämä yksikkö tuottaa sykkivän yksisuuntaisen jännitteen, jota on useimmissa tapauksissa tasoitettava suodattimilla. Jotkin kuluttajat vaativat myös tasasuuntautuneen jännitteen vakauttamista.
Yksivaiheiset tasasuuntaajat
Yksinkertaisin vaihtovirtasuuntaaja on yksi diodi.
Se välittää siniaallon positiivisen puoliaallon kuluttajalle ja "katkaisee" negatiivisen puoliaallon.
Tällaisen laitteen käyttöalue on pieni - pääasiassa, Tasasuuntaajat kytkentätoimisissa teholähteissäTasasuuntaajalla on rajallinen valikoima sovelluksia, lähinnä suhteellisen korkeilla taajuuksilla toimivien kytkentävirtalähteiden tasasuuntaajissa. Vaikka se tuottaa virtaa yhteen suuntaan, sillä on merkittäviä haittoja:
- suuri aaltoilu - tarvitaan suuri ja hankala kondensaattori tasoittamaan ja tuottamaan vakiovirta;
- Alas- (tai ylös-) muuntajan kapasiteetin vajaakäyttö, mikä lisää paino- ja kokovaatimuksia;
- Keskimääräinen lähtö-EMF on alle puolet tulo-EMF:stä;
- korkeammat diodivaatimukset (toisaalta tarvitaan vain yksi venttiili).
Siksi yleisin on Kaksinkertainen puolijakso (silta) piiri.
Tällöin virta kulkee kuorman läpi kahdesti jakson aikana samaan suuntaan:
- Positiivinen puoliaalto punaisilla nuolilla osoitettua reittiä pitkin;
- negatiivinen puoliaalto vihreillä nuolilla osoitettua reittiä pitkin.
Negatiivinen puoli-aalto ei häviä ja sitä käytetään myös, joten tulomuuntajan teho käytetään täysimääräisemmin. Keskimääräinen sähkömagneettinen kenttä on kaksi kertaa suurempi kuin yhden puoliaallon versiossa. Pulssivirran aaltomuoto on paljon lähempänä suoraa viivaa, mutta tasoituskondensaattoria tarvitaan silti. Sen kapasiteetti ja mitat ovat pienemmät kuin edellisessä tapauksessa, koska aaltoilutaajuus on kaksinkertainen verkkojännitteen taajuuteen verrattuna.
Jos on olemassa muuntaja, jossa on kaksi samanlaista käämitystä, jotka voidaan kytkeä sarjaan, tai jossa käämitys kapenee keskeltä, voidaan rakentaa kaksoispuolijaksoinen tasasuuntaaja eri piirissä.
Se on itse asiassa yhden puolijakson tasasuuntaajan kaksinkertaistaminen, mutta siinä on kaksinkertaisen puolijakson etu. Haittapuolena on se, että muuntajan on oltava rakenteeltaan tietynlainen.
Jos muuntaja tehdään amatöörinä, ei ole mitään estettä käämittää toisiokäämi vaaditulla tavalla, mutta raudan on oltava hieman ylimitoitettu. Neljän diodin sijasta käytetään vain kahta. Tämä kompensoi massan menetyksen ja jopa lisää sitä.
Jos tasasuuntaaja on suunniteltu suurelle virralle ja venttiilit on asennettava jäähdytyslevyihin, puolet vähemmän diodeja asennettaessa saavutetaan huomattava säästö. Huomaa myös, että tässä tasasuuntaajassa on kaksi kertaa suurempi sisäinen vastus kuin siltapiirissä, joten muuntajan käämien lämpeneminen ja siihen liittyvät häviöt ovat myös suuremmat.
Kolmivaiheiset tasasuuntaajat
Edellisestä kaaviosta on loogista siirtyä kolmivaihejännitteen tasasuuntaajaan, joka on koottu samanlaisella periaatteella.
Lähtöjännitteen muoto on paljon lähempänä suoraa viivaa, aaltoilu on vain 14 % ja taajuus on kolminkertainen verkkojännitteen taajuuteen verrattuna.
Tämän piirin lähde on kuitenkin yhden puolijakson tasasuuntaaja, joten monia haittoja ei voida välttää edes kolmivaiheisella jännitelähteellä. Suurin haittapuoli on, että muuntaja ei ole täysin hyödynnetty, ja keskimääräinen sähkömagneettinen kenttä on 1,17⋅e.2eff (tehollinen muuntajan toisio-EMF).
Parhaat parametrit saadaan kolmivaiheisella siltapiirillä.
Tällöin lähtöjännitteen ripple-amplitudi on sama 14 %, mutta taajuus on yhtä suuri kuin AC-tulojännitteen huonompi taajuus, joten suodatinkondensaattorin kapasitanssi on pienin kaikista esitetyistä vaihtoehdoista. Lähtö-EMF on kaksi kertaa suurempi kuin edellisessä piirissä.
Tätä tasasuuntaajaa käytetään tähti-sekundäärillä varustetun lähtömuuntajan kanssa, mutta sama venttiilijärjestely on paljon tehottomampi, kun sitä käytetään kolmiulotteisen lähtömuuntajan kanssa.
Tässä tapauksessa aaltoilun amplitudi ja taajuus ovat samat kuin edellisessä järjestelyssä. Keskimääräinen sähkömagneettinen kenttä on kuitenkin kaksi kertaa pienempi kuin edellisessä piirissä. Siksi tätä yhteyttä käytetään harvoin.
Tasasuuntaajat, joissa on jännitekerroin
On mahdollista rakentaa tasasuuntaaja, jonka lähtöjännite on moninkertainen tulojännitteeseen nähden. On esimerkiksi piirejä, joissa jännite kaksinkertaistuu:
Tässä tapauksessa kondensaattori C1 ladataan negatiivisen puolijakson aikana ja kytketään sarjaan syötetyn siniaallon positiivisen aallon kanssa. Tämän rakenteen haittapuolena on tasasuuntaajan pieni kuormitettavuus ja se, että kondensaattori C2 on alle kaksinkertainen jännitearvoon nähden. Siksi tällaista järjestelmää käytetään radiotekniikassa tasasuuntaamaan kaksinkertaistamalla pienitehoisia signaaleja amplitudinilmaisimille, mittauselimenä automaattisissa vahvistuksen säätöpiireissä jne.
Sähkötekniikassa ja tehoelektroniikassa käytetään toista muunnelmaa kaksinkertaistuspiiristä.
Latourin piirin mukaisesti kootulla kaksinkertaistimella on suuri kuormituskapasiteetti. Kukin kondensaattori on tulojännitteen alapuolella, joten massan ja mittojen osalta tämä muunnos voittaa myös edellisen. Kondensaattori C1 latautuu positiivisen puolijakson aikana ja C2 negatiivisen puolijakson aikana. Kondensaattorit on kytketty sarjaan ja rinnakkain kuorman kanssa, joten kuorman yli vaikuttava jännite on seuraavien arvojen summa ladattujen kondensaattoreiden jännitteet. Vaihtelun taajuus on kaksinkertainen verkkojännitteen taajuuteen nähden, ja sen suuruus riippuu seuraavista tekijöistä kapasitanssin arvo. Mitä suurempi kapasitanssi, sitä pienempi aaltoilu. Tässäkin asiassa on löydettävä kohtuullinen kompromissi.
Tämän piirin haittapuolena on, että yhtä kuorman liittimistä ei saa maadoittaa - tässä tapauksessa yksi diodeista tai kondensaattoreista on oikosulussa.
Tämä piiri voidaan kaskadoida kuinka monta kertaa tahansa. Toistamalla kytkentäperiaate kahdesti on siis mahdollista saada piiri, jossa jännite nelinkertaistuu jne.
Piirin ensimmäisen kondensaattorin on kestettävä virtalähteen jännite, muiden kondensaattorien on kestettävä kaksi kertaa syöttöjännite. Kaikkien porttien on oltava mitoitettu kaksinkertaiselle käänteisjännitteelle. Jotta piiri toimisi luotettavasti, kaikkien parametrien marginaalin on tietenkin oltava vähintään 20 %.
Jos sopivia diodeja ei ole saatavilla, ne voidaan kytkeä sarjaan, jolloin suurin sallittu jännite kasvaa moninkertaiseksi. Kunkin diodin rinnalla on kuitenkin oltava tasausvastukset. Tämä on tehtävä, koska muuten käänteisjännite voi jakautua epätasaisesti diodien kesken porttiparametrien vaihtelun vuoksi. Tämä voi johtaa yhden diodin korkeimman arvon ylittymiseen. Ja jos jokainen ketjun elementti silloitetaan vastuksella (niiden nimellisarvon on oltava sama), käänteisjännite jakautuu täysin tasaisesti. Kunkin vastuksen resistanssin tulisi olla noin 10 kertaa pienempi kuin diodin käänteisresistanssi. Tällöin lisäelementtien vaikutus piirin toimintaan on mahdollisimman pieni.
Tässä piirissä diodien rinnakkaiskytkentä on tuskin tarpeen, koska virrat eivät ole suuria. Se voi kuitenkin olla hyödyllinen muissa tasasuuntaajapiireissä, joissa kuorma vie paljon tehoa. Rinnankytkentä moninkertaistaa venttiilin läpi kulkevan sallitun virran, mutta sekoittaa parametrien vaihtelun. Tämän seurauksena yksi diodi voi ottaa suurimman virran eikä pysty käsittelemään sitä. Tämän välttämiseksi jokaisen diodin kanssa asetetaan sarjaan vastus.
Vastuksen nimellisarvo valitaan siten, että suurimmalla virralla jännitehäviö sen yli on 1 voltti. Jos virta on 1 A, resistanssin pitäisi siis olla 1 ohmi. Tässä tapauksessa tehon on oltava vähintään 1 W.
Teoriassa jännitekerroin voidaan kasvattaa äärettömään. Käytännössä on muistettava, että tällaisten tasasuuntaajien kuormitettavuus vähenee jyrkästi jokaisen lisävaiheen myötä. Tuloksena voi olla tilanne, jossa kuorman jännitteen alenema ylittää kertoimen kertoimen ja tekee tasasuuntaajasta hyödyttömän. Tämä haitta on yhteinen kaikille tällaisille piireille.
Usein nämä jännitekertoimet valmistetaan yhtenä moduulina hyvässä eristyksessä. Tällaisia laitteita on käytetty esimerkiksi suurjännitteen tuottamiseen televisioissa tai oskilloskoopeissa, joissa on katodisädeputki monitorina. Myös induktoreiden avulla toteutetut kaksinkertaistamispiirit tunnetaan, mutta ne eivät ole yleistyneet - käämitysosia on vaikea valmistaa, eivätkä ne ole kovin toimintavarmoja.
Tasasuuntaajia on saatavilla melko vähän. Kun otetaan huomioon tämän yksikön laaja käyttöalue, on tärkeää, että piirin valintaa ja elementtien laskentaa lähestytään tietoisesti. Vain siten pitkä ja luotettava toiminta on taattu.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
