Elektrische energie wordt gemakkelijk getransporteerd en omgezet in de vorm van een wisselspanning. Het is in deze vorm dat het aan de eindverbruiker wordt geleverd. Maar veel apparaten moeten nog steeds van gelijkspanning worden voorzien.
Inhoud
Gelijkrichter in elektrotechniek
Gelijkrichters worden gebruikt om wisselstromen om te zetten in gelijkstromen. Dit apparaat wordt op grote schaal gebruikt en de belangrijkste toepassingsgebieden van gelijkrichters in de radio- en elektrotechniek:
- vorming van gelijkstroom voor elektrische krachtinstallaties (tractieonderstations, elektrolyse-installaties, bekrachtigingssystemen voor synchrone generatoren) en krachtige gelijkstroommotoren;
- voedingen voor elektronische apparaten;
- detectie van gemoduleerde radiosignalen;
- Opwekking van gelijkspanning evenredig met het ingangssignaalniveau voor het bouwen van automatische versterkingscontrolesystemen.
Het aantal toepassingen van gelijkrichters is enorm en het is niet mogelijk ze allemaal in één overzicht op te sommen.
Gelijkrichter principes
Gelijkrichtertoestellen zijn gebaseerd op het principe van unidirectionele geleidbaarheid van de elementen. Dit kan op verschillende manieren gebeuren. Veel manieren voor industriële toepassingen behoren tot het verleden - bijvoorbeeld het gebruik van mechanische synchrone machines of elektrovacuümapparaten. Tegenwoordig worden kleppen gebruikt die de stroom naar één kant geleiden. Nog niet zo lang geleden werden kwikdragers gebruikt voor gelijkrichters met een hoog vermogen. Vandaag zijn deze praktisch vervangen door halfgeleiderelementen (silicium).
Typische gelijkrichterdiagrammen
Gelijkrichters kunnen volgens verschillende principes worden geconstrueerd. Bij de analyse van gelijkrichterdiagrammen mag niet uit het oog worden verloren dat de spanning aan de uitgang van een gelijkrichter slechts conventioneel constant kan worden genoemd. Dit toestel produceert een pulserende spanning in één richting, die in de meeste gevallen moet worden afgevlakt met filters. Sommige verbruikers vereisen ook stabilisatie van de gelijkgerichte spanning.
Eenfasige gelijkrichters
De eenvoudigste wisselstroomgelijkrichter is een enkele diode.
Hij geeft de positieve halve golf van de sinusgolf door aan de verbruiker en "snijdt" de negatieve halve golf af.
Het toepassingsgebied van zo'n apparaat is klein - hoofdzakelijk, Gelijkrichters in geschakelde voedingenDe gelijkrichter kent een beperkt aantal toepassingen, voornamelijk in gelijkrichters voor schakelende voedingen die bij relatief hoge frequenties werken. Hoewel het stroom levert die in één richting loopt, heeft het aanzienlijke nadelen:
- hoge rimpel - een grote en logge condensator zou nodig zijn om deze af te vlakken en een constante stroom te produceren;
- Onderbenutting van de step-down (of step-up) transformatorcapaciteit, waardoor meer gewicht en omvang nodig zijn;
- De gemiddelde uitgangs-MV is minder dan de helft van de ingangs-MV;
- hogere diodevereisten (aan de andere kant - slechts één klep is nodig).
Daarom is de meest wijdverspreide Dubbele halve periode (brug) schakeling.
Hier vloeit de stroom tweemaal per periode in dezelfde richting door de belasting:
- De positieve halve golf langs het pad aangegeven door de rode pijlen;
- de negatieve halve golf langs het pad aangegeven door de groene pijlen.
De negatieve halve golf gaat niet verloren en wordt ook gebruikt, zodat het ingangstransformatorvermogen vollediger wordt benut. De gemiddelde EMF is twee keer zo hoog als die van de enkele halve golf. De pulserende stroomgolfvorm komt veel dichter bij een rechte lijn, maar een afvlakcondensator is nog steeds vereist. Zijn capaciteit en afmetingen zullen kleiner zijn dan in het vorige geval, omdat de rimpelfrequentie dubbel zo groot is als de frequentie van de netspanning.
Indien er een transformator is met twee identieke wikkelingen die in serie kunnen worden geschakeld, of met de wikkeling taps toelopend van het midden, kan een gelijkrichter met dubbele halve periode worden geconstrueerd in een andere schakeling.
Het is eigenlijk een verdubbeling van de gelijkrichter met enkele halve periode, maar heeft het voordeel van de dubbele halve periode. Het nadeel is dat een transformator van een specifiek ontwerp moet zijn.
Indien de transformator als amateur wordt gemaakt, is er geen beletsel om de secundaire te wikkelen zoals vereist, maar het ijzer moet enigszins overgedimensioneerd zijn. In plaats van 4 diodes worden er slechts 2 gebruikt. Dit zal het verlies van massa compenseren en zelfs toenemen.
Indien de gelijkrichter voor hoge stroomsterkte is ontworpen en de kleppen op koellichamen moeten worden gemonteerd, dan levert het installeren van de helft van het aantal dioden een aanzienlijke besparing op. Merk ook op dat deze gelijkrichter een dubbele inwendige weerstand heeft in vergelijking met een brugschakeling, zodat de opwarming van de transformatorwikkelingen en de daarmee gepaard gaande verliezen ook hoger zullen zijn.
Driefasige gelijkrichters
Uitgaande van het voorgaande schema is het logisch over te gaan naar een gelijkrichter van driefasige spanning, samengesteld volgens een soortgelijk principe.
De vorm van de uitgangsspanning ligt veel dichter bij een rechte lijn, het rimpelniveau bedraagt slechts 14%, en de frequentie is gelijk aan het drievoud van de frequentie van de lijnspanning.
De bron van deze schakeling is echter een enkelvoudige gelijkrichter met halve periode, zodat veel van de nadelen niet kunnen worden vermeden, zelfs niet met een driefasige spanningsbron. Het grootste nadeel is dat de transformator niet volledig wordt benut, en de gemiddelde EMF is 1,17⋅E2eff (effectieve secundaire EMF van de transformator).
De beste parameters worden gegeven door de driefasige brugschakeling.
Hier is de rimpelamplitude van de uitgangsspanning gelijk aan 14%, maar de frequentie is gelijk aan de inferieure frequentie van de AC-ingangsspanning, zodat de capaciteit van de filtercondensator de kleinste zal zijn van alle voorgestelde opties. En de uitgangs EMF zal twee keer zo hoog zijn als in de vorige schakeling.
Deze gelijkrichter wordt gebruikt met een uitgangstransformator met een ster secundaire, maar dezelfde klepopstelling zal veel minder efficiënt zijn bij gebruik met een delta uitgangstransformator.
Hier zijn de amplitude en de frequentie van de rimpeling dezelfde als in de vorige opstelling. De gemiddelde EMF is echter een factor twee lager dan die van de vorige schakeling. Daarom wordt deze verbinding zelden gebruikt.
Gelijkrichters met spanningsvermenigvuldiging
Het is mogelijk een gelijkrichter te construeren, waarvan de uitgangsspanning een veelvoud is van de ingangsspanning. Er zijn bijvoorbeeld circuits met spanningsverdubbeling:
Hier wordt condensator C1 opgeladen tijdens de negatieve halve cyclus en in serie geschakeld met de positieve golf van de ingangs-sinusgolf. Het nadeel van deze constructie is de geringe belastbaarheid van de gelijkrichter en het feit dat condensator C2 onder de dubbele spanningswaarde staat. Daarom wordt een dergelijk schema in de radiotechniek gebruikt voor het gelijkrichten met verdubbeling van signalen met laag vermogen voor amplitudedetectoren, als meetlichaam in automatische versterkingsregelcircuits, enz.
In de elektrotechniek en de vermogenselektronica wordt een andere variant van de verdubbelingsschakeling gebruikt.
Een verdubbelaar die volgens de schakeling van Latour is geassembleerd, heeft een groot laadvermogen. Elk van de condensatoren staat onder de ingangsspanning, dus in termen van massa en afmetingen wint deze variant het ook van de vorige. Condensator C1 wordt opgeladen tijdens de positieve halve periode en C2 tijdens de negatieve halve periode. De condensatoren zijn in serie en parallel geschakeld met de belasting, zodat de spanning over de belasting de som is van van de spanningen van de geladen condensatoren. De frequentie van de rimpel is gelijk aan tweemaal de frequentie van de lijnspanning, en de waarde hangt af van op de waarde van de capaciteit. Hoe hoger de capaciteit, hoe lager de rimpel. Ook hier moet een redelijk compromis worden gevonden.
Het nadeel van deze schakeling is dat één van de belastingsklemmen niet mag worden geaard - in dit geval zal één van de diodes of condensatoren worden kortgesloten.
Deze schakeling kan een willekeurig aantal keren worden gecascadeerd. Door het schakelprincipe tweemaal te herhalen, is het dus mogelijk een schakeling te verkrijgen met verviervoudiging van de spanning, enz.
De eerste condensator in de schakeling moet bestand zijn tegen de spanning van de voeding, de anderen moeten bestand zijn tegen tweemaal de voedingsspanning. Alle poorten moeten berekend zijn op dubbele sperspanning. Om de schakeling betrouwbaar te laten werken, moeten alle parameters natuurlijk een marge van ten minste 20% hebben.
Indien geen geschikte diodes beschikbaar zijn, kunnen zij in serie worden geschakeld, waardoor de maximaal toelaatbare spanning met een veelvoud wordt verhoogd. Maar parallel aan elke diode moeten vereffeningsweerstanden worden opgenomen. Dit moet gebeuren, omdat anders de sperspanning ongelijk over de diodes kan worden verdeeld als gevolg van de variatie van de poortparameters. Dit kan ertoe leiden dat de hoogste waarde voor een van de diodes wordt overschreden. En als elk kettingelement wordt overbrugd door een weerstand (hun rating moet gelijk zijn), dan zal de sperspanning strikt gelijk worden verdeeld. De weerstand van elke weerstand moet ongeveer 10 keer kleiner zijn dan de omgekeerde weerstand van de diode. In dit geval zal het effect van extra elementen op de werking van het circuit tot een minimum worden beperkt.
Parallelschakeling van diodes is in deze schakeling nauwelijks nodig, de stromen zijn niet hoog. Maar kan nuttig zijn in andere gelijkrichterschakelingen waar de belasting veel vermogen trekt. Parallelle aansluiting vermenigvuldigt de toelaatbare stroom door de klep, maar verknoeit de variatie in de parameters. Het resultaat is dat één diode de meeste stroom kan opnemen en niet in staat is deze te verwerken. Om dit te voorkomen, wordt een weerstand in serie met elke diode geplaatst.
De waarde van de weerstand wordt zo gekozen dat bij de maximale stroom de spanningsval erover 1 volt is. Dus, voor een stroom van 1 A, moet de weerstand 1 ohm zijn. Het vermogen moet in dit geval ten minste 1 W zijn.
In theorie kan de multipliciteit van de spanning tot oneindig worden verhoogd. In de praktijk moet men bedenken dat de belastbaarheid van dergelijke gelijkrichters sterk afneemt met elke extra trap. Het resultaat kan een situatie zijn waarin de spanningsverzakking op de belasting groter is dan de vermenigvuldigingsfactor en de gelijkrichter zinloos maakt. Dit nadeel geldt voor al deze circuits.
Vaak worden deze spanningsvermenigvuldigers geproduceerd als één enkele module in goede isolatie. Dergelijke toestellen zijn bijvoorbeeld gebruikt om hoogspanning op te wekken in televisietoestellen of oscilloscopen met een kathodestraalbuis als monitor. Verdubbelingsschakelingen met behulp van spoelen zijn ook bekend, maar zijn niet wijdverbreid geworden - de wikkelingsdelen zijn moeilijk te maken en niet erg betrouwbaar in werking.
Er zijn heel wat gelijkrichterschema's beschikbaar. Gezien het brede scala van toepassingen voor dit toestel is het van belang de keuze van de schakeling en de berekening van de elementen bewust te benaderen. Alleen dan is een lange en betrouwbare werking gegarandeerd.
Verwante artikelen:
