L'energia elettrica è convenientemente trasportata e convertita sotto forma di tensione alternata. È in questa forma che viene consegnato al consumatore finale. Ma molti dispositivi hanno ancora bisogno di tensione continua per essere alimentati.
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Raddrizzatore in ingegneria elettrica
I raddrizzatori sono utilizzati per convertire le correnti alternate in correnti dirette. Questo dispositivo è ampiamente utilizzato e le principali aree di utilizzo dei raddrizzatori in radio e ingegneria elettrica:
- formazione di corrente continua per impianti elettrici di potenza (sottostazioni di trazione, impianti di elettrolisi, sistemi di eccitazione di generatori sincroni) e potenti motori a corrente continua;
- alimentatori per dispositivi elettronici;
- rilevamento di segnali radio modulati;
- Generazione di tensione diretta proporzionale al livello del segnale d'ingresso per la costruzione di sistemi di controllo automatico del guadagno.
La gamma completa di applicazioni per i raddrizzatori è vasta, e non è possibile elencarli tutti in una panoramica.
Principi del raddrizzatore
I dispositivi raddrizzatori si basano sul principio della conduttività unidirezionale degli elementi. Questo può essere fatto in diversi modi. Molti modi per le applicazioni industriali sono una cosa del passato - per esempio, l'uso di macchine sincrone meccaniche o di dispositivi per il vuoto elettrico. Oggi si usano valvole che conducono la corrente da un lato. Non molto tempo fa, i dispositivi al mercurio erano usati per i raddrizzatori di alta potenza. Oggi, questi sono stati praticamente sostituiti da elementi semiconduttori (silicio).
Diagrammi tipici del raddrizzatore
I dispositivi di raddrizzamento possono essere costruiti secondo diversi principi. Quando si analizzano i diagrammi dei raddrizzatori, bisogna ricordare che la tensione all'uscita di qualsiasi raddrizzatore può essere chiamata costante solo convenzionalmente. Questa unità produce una tensione unidirezionale pulsante, che nella maggior parte dei casi deve essere smussata da filtri. Alcuni consumatori richiedono anche la stabilizzazione della tensione raddrizzata.
Raddrizzatori monofase
Il raddrizzatore AC più semplice è un singolo diodo.
Passa la semionda positiva della sinusoide al consumatore e "taglia" la semionda negativa.
Il campo di applicazione di un tale dispositivo è piccolo - principalmente, Raddrizzatori negli alimentatori a commutazioneIl raddrizzatore ha una gamma limitata di applicazioni, principalmente nei raddrizzatori per alimentatori a commutazione che operano a frequenze relativamente alte. Sebbene fornisca corrente che scorre in una direzione, ha degli svantaggi significativi:
- alto livello di ondulazione - sarebbe necessario un condensatore grande e ingombrante per appianare e produrre una corrente costante;
- Sottoutilizzo della capacità del trasformatore step-down (o step-up), con conseguente aumento del peso e delle dimensioni richieste;
- Il campo elettromagnetico medio in uscita è meno della metà del campo elettromagnetico in entrata;
- requisiti più elevati per i diodi (d'altra parte - è necessaria solo una valvola).
Pertanto, il più diffuso è Circuito a doppio semiperiodo (ponte).
Qui, la corrente scorre attraverso il carico due volte per periodo nella stessa direzione:
- La semionda positiva lungo il percorso indicato dalle frecce rosse;
- la semionda negativa lungo il percorso indicato dalle frecce verdi.
La semionda negativa non viene persa e viene anche utilizzata, quindi la potenza del trasformatore d'ingresso viene utilizzata più pienamente. Il campo elettromagnetico medio è il doppio di quello della versione a mezza onda singola. La forma d'onda della corrente pulsante è molto più vicina a una linea retta, ma un condensatore di smorzamento è ancora necessario. La sua capacità e le sue dimensioni saranno più piccole che nel caso precedente, perché la frequenza di ondulazione è doppia rispetto a quella della tensione di rete.
Se c'è un trasformatore con due avvolgimenti identici che possono essere collegati in serie, o con l'avvolgimento che si assottiglia al centro, si può costruire un raddrizzatore a doppio semiperiodo in un circuito diverso.
È in realtà un raddoppio del raddrizzatore a mezzo periodo singolo, ma ha il vantaggio del doppio mezzo periodo. Lo svantaggio è che un trasformatore deve essere di un design specifico.
Se il trasformatore è fatto come un dilettante, non c'è nessun ostacolo ad avvolgere il secondario come richiesto, ma il ferro deve essere un po' sovradimensionato. Invece di 4 diodi se ne usano solo 2. Questo compenserà la perdita di massa e anche il guadagno.
Se il raddrizzatore è progettato per un'alta corrente e le valvole devono essere montate su dissipatori, allora l'installazione della metà del numero di diodi dà un risparmio significativo. Notate anche che questo raddrizzatore ha il doppio della resistenza interna rispetto a un circuito a ponte, quindi il riscaldamento degli avvolgimenti del trasformatore e le perdite associate saranno anche maggiori.
Raddrizzatori trifase
Dallo schema precedente è logico passare a un raddrizzatore di tensione trifase, assemblato su un principio simile.
La forma della tensione di uscita è molto più vicina a una linea retta, il livello di ondulazione è solo del 14%, e la frequenza è pari al triplo della frequenza della tensione di rete.
Tuttavia, la fonte di questo circuito è un singolo raddrizzatore a mezzo periodo, quindi molti degli svantaggi non possono essere evitati anche con una fonte di tensione trifase. L'inconveniente principale è che il trasformatore non è pienamente utilizzato, e il CEM medio è di 1,17⋅E2eff (EMF secondario effettivo del trasformatore).
I migliori parametri sono dati dal circuito a ponte trifase.
Qui, l'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita è lo stesso 14%, ma la frequenza è uguale alla frequenza inferiore della tensione di ingresso AC, quindi la capacità del condensatore di filtro sarà la più piccola di tutte le opzioni presentate. E il campo elettromagnetico in uscita sarà due volte più alto che nel circuito precedente.
Il raddrizzatore è usato con un trasformatore che ha un'uscita a stella, ma la stessa disposizione della valvola sarà molto meno efficace con un trasformatore con uscita a delta.
Qui l'ampiezza e la frequenza dell'ondulazione sono le stesse della disposizione precedente. Tuttavia, il campo elettromagnetico medio è un fattore due inferiore a quello del circuito precedente. Pertanto, questa connessione è usata raramente.
Raddrizzatori con moltiplicazione di tensione
È possibile costruire un raddrizzatore la cui tensione di uscita è un multiplo della tensione di ingresso. Per esempio, ci sono circuiti con raddoppio di tensione:
Qui, il condensatore C1 viene caricato durante il semiciclo negativo e viene commutato in serie con l'onda positiva della sinusoide di ingresso. Lo svantaggio di questa costruzione è la bassa capacità di carico del raddrizzatore e il fatto che il condensatore C2 è sotto il doppio del valore di tensione. Pertanto, tale schema viene utilizzato in radiotecnica per raddrizzare con raddoppio i segnali di bassa potenza per i rilevatori di ampiezza, come corpo di misura nei circuiti di controllo automatico del guadagno, ecc.
Nell'ingegneria elettrica e nell'elettronica di potenza si usa un'altra variante del circuito di raddoppio.
Un doppiatore assemblato secondo il circuito di Latour ha una grande capacità di carico. Ognuno dei condensatori è sotto la tensione d'ingresso, quindi in termini di massa e dimensioni questa variante vince anche sulla precedente. Il condensatore C1 viene caricato durante il semiperiodo positivo e C2 durante il semiperiodo negativo. I condensatori sono collegati in serie e in parallelo al carico, quindi la tensione attraverso il carico è la somma di delle tensioni dei condensatori carichi. La frequenza dell'ondulazione è uguale al doppio della frequenza della tensione di linea, e il valore dipende da sul valore della capacità. Maggiore è la capacità, minore è l'ondulazione. Anche qui, bisogna trovare un compromesso ragionevole.
Lo svantaggio di questo circuito è che uno dei terminali di carico non deve essere messo a terra - in questo caso uno dei diodi o condensatori sarà in corto circuito.
Questo circuito può essere collegato in cascata un numero qualsiasi di volte. Così, ripetendo due volte il principio di commutazione, è possibile ottenere un circuito con quadruplicazione della tensione, ecc.
Il primo condensatore del circuito deve essere in grado di resistere alla tensione di alimentazione, gli altri devono essere in grado di resistere al doppio della tensione di alimentazione. Tutti i cancelli devono essere classificati per il doppio della tensione inversa. Naturalmente, perché il circuito funzioni in modo affidabile, tutti i parametri devono avere un margine di almeno il 20%.
Se non sono disponibili diodi adatti, possono essere collegati in serie, il che aumenterà la tensione massima ammissibile di un multiplo. Ma parallelamente ad ogni diodo, bisogna includere delle resistenze di equalizzazione. Questo deve essere fatto, perché altrimenti la tensione inversa può essere distribuita in modo non uniforme tra i diodi a causa della variazione dei parametri del gate. Questo può comportare il superamento del valore massimo di uno dei diodi. E se ogni elemento della catena è messo a ponte da una resistenza (la loro potenza deve essere la stessa), allora la tensione inversa sarà distribuita in modo rigorosamente uguale. La resistenza di ogni resistenza dovrebbe essere circa 10 volte inferiore alla resistenza inversa del diodo. In questo caso l'effetto degli elementi aggiuntivi sul funzionamento del circuito sarà minimizzato.
Il collegamento in parallelo dei diodi in questo circuito non è quasi necessario, le correnti non sono elevate. Ma può essere utile in altri circuiti raddrizzatori dove il carico assorbe molta potenza. Il collegamento in parallelo moltiplica la corrente ammissibile attraverso la valvola, ma incasina la variazione dei parametri. Di conseguenza, un diodo può prendere la maggior parte della corrente e non essere in grado di gestirla. Per evitare questo, un resistore è posto in serie con ogni diodo.
Il valore nominale della resistenza è scelto in modo che alla corrente massima la caduta di tensione attraverso di essa sia di 1 volt. Così, per una corrente di 1 A, la resistenza dovrebbe essere di 1 ohm. La potenza in questo caso deve essere di almeno 1 W.
In teoria, la molteplicità di tensione può essere aumentata all'infinito. In pratica, ricordate che la capacità di carico di tali raddrizzatori diminuisce bruscamente con ogni stadio supplementare. Il risultato può essere una situazione in cui la caduta di tensione sul carico supera la molteplicità di moltiplicazione e rende inutile il raddrizzatore. Questo svantaggio è comune a tutti questi circuiti.
Spesso questi moltiplicatori di tensione sono prodotti come un singolo modulo in buon isolamento. Tali dispositivi sono stati utilizzati, per esempio, per generare alta tensione in televisori o oscilloscopi con un tubo catodico come monitor. I circuiti di raddoppio che utilizzano induttori sono anche conosciuti, ma non sono diventati molto diffusi - le parti dell'avvolgimento sono difficili da realizzare e non molto affidabili nel funzionamento.
Ci sono diversi schemi di raddrizzatori disponibili. Data la vasta gamma di applicazioni di questa unità, è importante affrontare la selezione del circuito e il calcolo degli elementi in modo consapevole. Solo così è garantito un funzionamento lungo e affidabile.
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