Az elektromos energiát kényelmesen váltakozó feszültség formájában szállítják és alakítják át. Ebben a formában kerül a végfelhasználóhoz. Sok eszköznek azonban továbbra is szüksége van egyenfeszültségre.
Tartalom
Egyenirányítók az elektrotechnikában
Az egyenirányítók a váltakozó áramot egyenárammá alakítják. Ezt az eszközt széles körben használják, és az egyenirányítók fő felhasználási területei a rádió- és elektrotechnikában:
- egyenáramú áram előállítása nagy teljesítményű elektromos berendezésekhez (vontatási alállomások, elektrolízisüzemek, szinkrongenerátorok gerjesztőrendszerei) és nagy teljesítményű egyenáramú motorokhoz;
- elektronikus eszközök tápegységei;
- modulált rádiójelek érzékelése;
- A bemeneti jelszinthez arányos egyenfeszültség előállítása automatikus erősítésszabályozó rendszerek építéséhez.
Az egyenirányítók teljes alkalmazási köre hatalmas, és nem lehetséges mindet egyetlen áttekintésben felsorolni.
Az egyenirányító elvei
Az egyenirányító eszközök az elemek egyirányú vezetőképességének elvén alapulnak. Ez többféleképpen is történhet. Az ipari alkalmazások számos módja már a múlté - például a mechanikus szinkrongépek vagy az elektroszkópos eszközök használata. Manapság olyan szelepeket használnak, amelyek az áramot az egyik oldalra vezetik. Nem is olyan régen még higanyos eszközöket használtak nagy teljesítményű egyenirányítókhoz. Ma már ezeket gyakorlatilag felváltották a félvezető (szilícium) elemek.
Tipikus egyenirányítói diagramok
Az egyenirányító eszközök különböző elvek szerint építhetők fel. Az egyenirányítói diagramok elemzésekor nem szabad megfeledkezni arról, hogy bármely egyenirányító kimenetén a feszültség csak konvencionálisan nevezhető állandónak. Ez a készülék pulzáló egyirányú feszültséget állít elő, amelyet a legtöbb esetben szűrőkkel kell simítani. Egyes fogyasztók az egyenirányított feszültség stabilizálását is igénylik.
Egyfázisú egyenirányítók
A legegyszerűbb váltakozó áramú egyenirányító egyetlen dióda.
A szinuszhullám pozitív félhullámát továbbítja a fogyasztóhoz, és "levágja" a negatív félhullámot.
Egy ilyen eszköz alkalmazási köre kicsi - főként, Egyenirányítók kapcsolóüzemű tápegységekbenAz egyenirányítónak korlátozott alkalmazási köre van, főként a viszonylag magas frekvencián működő kapcsolóüzemű tápegységek egyenirányítóiban. Bár egy irányba áramló áramot szolgáltat, jelentős hátrányai vannak:
- nagyfokú hullámzás - nagy és nehézkes kondenzátorra lenne szükség a kiegyenlítéshez és az állandó áram előállításához;
- A le- (vagy fel-) transzformátorok kapacitásának kihasználatlansága, ami megnövekedett súly- és méretkövetelményeket eredményez;
- Az átlagos kimeneti EMF kevesebb, mint a bemeneti EMF fele;
- magasabb diódakövetelmények (másrészt - csak egy szelep szükséges).
Ezért a legelterjedtebb a Dupla félperiódusú (híd) áramkör.
Itt az áram periódusonként kétszer folyik át a terhelésen ugyanabban az irányban:
- A pozitív félhullám a piros nyilakkal jelzett út mentén;
- a negatív félhullámot a zöld nyilakkal jelzett útvonalon.
A negatív félhullám nem vész el, és szintén felhasználásra kerül, így a bemeneti transzformátor teljesítménye teljesebben kihasználható. Az átlagos EMF kétszerese az egy félhullámú változaténak. A pulzáló áram hullámformája sokkal közelebb van az egyeneshez, de még mindig szükség van egy simító kondenzátorra. Kapacitása és méretei kisebbek lesznek, mint az előző esetben, mivel a hullámfrekvencia a hálózati feszültség frekvenciájának kétszerese.
Ha van olyan transzformátor, amelynek két azonos tekercselése sorba kapcsolható, vagy a tekercselés a középpontból kúposodik, akkor egy másik áramkörben kettős félperiódusú egyenirányítót lehet építeni.
Ez tulajdonképpen az egy félperiódusú egyenirányító megduplázása, de a dupla félperiódus előnyeivel rendelkezik. Hátránya, hogy a transzformátornak különleges kialakításúnak kell lennie.
Ha a transzformátor amatőrként készül, nincs akadálya annak, hogy a szekundert a szükséges módon tekercseljük, de a vasat kissé túl kell méretezni. A 4 dióda helyett csak 2 diódát használnak. Ez kompenzálja a tömegveszteséget, sőt, még nyerhet is.
Ha az egyenirányítót nagy áramra tervezték, és a szelepeket hűtőbordákra kell szerelni, akkor a diódák felének beépítése jelentős megtakarítást eredményez. Vegye figyelembe azt is, hogy ennek az egyenirányítónak kétszer nagyobb a belső ellenállása, mint egy hídáramkörnek, így a transzformátor tekercselésének melegedése és a kapcsolódó veszteségek is nagyobbak lesznek.
Háromfázisú egyenirányítók
Az előző ábrából logikusan továbbléphetünk egy hasonló elven összeállított háromfázisú egyenirányítóra.
A kimeneti feszültség alakja sokkal közelebb áll az egyeneshez, a hullámzás szintje csak 14%, és a frekvencia a hálózati feszültség frekvenciájának háromszorosa.
Ennek az áramkörnek a forrása mégis egy félperiódusú egyenirányító, így számos hátránya még háromfázisú feszültségforrással sem kerülhető el. A fő hátránya, hogy a transzformátor nincs teljesen kihasználva, és az átlagos EMF 1,17⋅E2eff (effektív transzformátor szekunder EMF).
A legjobb paramétereket a háromfázisú hídáramkör adja.
Itt a kimeneti feszültség hullámossági amplitúdója ugyanaz a 14%, de a frekvencia megegyezik a bemeneti váltakozó feszültség alacsonyabb frekvenciájával, így a szűrőkondenzátor kapacitása a legkisebb lesz a bemutatott lehetőségek közül. És a kimeneti EMF kétszer olyan magas lesz, mint az előző áramkörben.
Ezt az egyenirányítót csillagszekunder kimeneti transzformátorral használják, de ugyanez a szelepelrendezés sokkal kevésbé hatékony, ha háromszög kimeneti transzformátorral használják.
Itt a hullámzás amplitúdója és frekvenciája megegyezik az előző elrendezéssel. Az átlagos EMF azonban egyszoros. Ezért ezt a kapcsolatot ritkán használják.
Feszültségszaporító egyenirányítók
Lehetséges olyan egyenirányítót építeni, amelynek kimeneti feszültsége a bemeneti feszültség többszöröse. Vannak például feszültségduplázó áramkörök:
Itt a C1 kondenzátor a negatív félciklus alatt feltöltődik, és a bemeneti szinuszhullám pozitív hullámával sorba kapcsol. Ennek a konstrukciónak a hátránya az egyenirányító alacsony terhelhetősége és az a tény, hogy a C2 kondenzátor kétszeres feszültségérték alatt van. Ezért egy ilyen sémát a rádiótechnikában a kis teljesítményű jelek megduplázásával történő egyenirányításra használnak amplitúdó-érzékelőkhöz, mérőtestként az automatikus erősítésszabályozó áramkörökben stb.
Az elektrotechnikában és a teljesítményelektronikában a megduplázó áramkör egy másik változatát használják.
A Latour áramköre szerint összeállított duplázó nagy terhelhetőséggel rendelkezik. A kondenzátorok mindegyike a bemeneti feszültség alatt van, így tömeg és méretek tekintetében is ez a változat nyer az előzővel szemben. A C1 kondenzátor a pozitív félperiódus alatt, a C2 pedig a negatív félperiódus alatt töltődik. A kondenzátorok sorosan és párhuzamosan vannak csatlakoztatva a terheléssel, így a terhelésen mért feszültség a következő értékek összege a feltöltött kondenzátorok feszültségei. A hullámzás frekvenciája a hálózati feszültség frekvenciájának kétszerese, és értéke a következőktől függ a kapacitás értéke. Minél nagyobb a kapacitás, annál kisebb a hullámzás. Itt is ésszerű kompromisszumot kell találni.
Ennek az áramkörnek az a hátránya, hogy az egyik terhelési kapocs nem lehet földelve - ebben az esetben az egyik dióda vagy kondenzátor rövidre záródik.
Ez az áramkör tetszőlegesen sokszor kaszkádolható. Így a kapcsolási elv kétszeri megismétlésével egy négyszeres feszültségű áramkört kaphatunk, stb.
Az áramkörben az első kondenzátornak a tápegység feszültségét, a többinek a tápfeszültség kétszeresét kell kibírnia. Minden kaput a fordított feszültség kétszeresére kell méretezni. Természetesen ahhoz, hogy az áramkör megbízhatóan működjön, minden paraméter legalább 20%-os tartalékkal kell rendelkeznie.
Ha nem áll rendelkezésre megfelelő dióda, akkor sorba kapcsolható, ami a megengedett maximális feszültséget a többszörösére növeli. De minden egyes diódával párhuzamosan kiegyenlítő ellenállásokat kell beépíteni. Ezt azért kell megtenni, mert ellenkező esetben a fordított feszültség a kapu paramétereinek változása miatt egyenlőtlenül oszlik el a diódák között. Ez az egyik dióda legmagasabb értékének túllépését eredményezheti. És ha minden láncelemet egy ellenállással hidalunk át (a névleges értéküknek azonosnak kell lennie), akkor a fordított feszültség szigorúan egyenlően oszlik el. Az egyes ellenállások ellenállásának körülbelül 10-szer kisebbnek kell lennie, mint a dióda fordított ellenállása. Ebben az esetben a további elemek hatása az áramkör működésére minimálisra csökken.
A diódák párhuzamos kapcsolása ebben az áramkörben alig szükséges, az áramok nem nagyok. De hasznos lehet más egyenirányító áramkörökben, ahol a terhelés komoly teljesítményt vesz fel. A párhuzamos kapcsolás megsokszorozza a szelepen átfolyó megengedett áramot, de összezavarja a paraméterek változását. Ennek eredményeképpen az egyik dióda felveheti a legtöbb áramot, és nem képes kezelni azt. Ennek elkerülése érdekében minden diódával sorba kapcsolunk egy ellenállást.
Az ellenállás névleges értékét úgy kell megválasztani, hogy a maximális áramnál a rajta lévő feszültségesés 1 volt legyen. Tehát 1 A áram esetén az ellenállásnak 1 ohmnak kell lennie. A teljesítménynek ebben az esetben legalább 1 W-nak kell lennie.
Elméletileg a feszültség szorzata a végtelenségig növelhető. A gyakorlatban ne feledje, hogy az ilyen egyenirányítók terhelhetősége minden további fokozattal meredeken csökken. Az eredmény olyan helyzet lehet, amikor a terhelésen a feszültségesés meghaladja a szorzat szorzatát, és értelmetlenné teszi az egyenirányítót. Ez a hátrány minden ilyen áramkörre jellemző.
Gyakran ezeket a feszültségsokszorozókat egyetlen modulként, jó szigetelésben gyártják. Ilyen eszközöket használtak például nagyfeszültség előállítására televíziókban vagy oszcilloszkópokban, amelyekben katódsugárcső volt a monitor. Az induktivitásokat használó duplázó áramkörök is ismertek, de nem terjedtek el széles körben - a tekercselő alkatrészek nehezen gyárthatók és nem túl megbízhatóak a működésükben.
Elég sok egyenirányító séma áll rendelkezésre. Tekintettel az egység széleskörű alkalmazási lehetőségeire, fontos, hogy tudatosan közelítsünk az áramkör kiválasztásához és az elemek számításához. Csak így garantált a hosszú és megbízható működés.
Kapcsolódó cikkek:
