Električna energija se priročno prenaša in pretvarja po velikosti v obliki izmenične napetosti. V tej obliki se dostavi končnemu uporabniku. Toda za napajanje številnih naprav še vedno potrebujete enosmerno napetost.
Vsebina
Usmerniki v elektrotehniki
Naloga usmernikov je pretvarjanje izmenične napetosti v enosmerno. Ta naprava se pogosto uporablja in glavne uporabe usmerniških naprav v radijski in elektrotehniki:
- Oblikovanje enosmernega toka za napajalne električne instalacije (vlečne postaje, elektrolizne naprave, vzbujevalni sistemi sinhronskih generatorjev) in močni enosmerni motorji;
- napajalniki za elektronske naprave;
- zaznavanje moduliranih radijskih signalov;
- Tvorba enosmerne napetosti, sorazmerne z nivojem vhodnega signala, za izgradnjo sistemov za avtomatsko regulacijo ojačanja.
Celoten obseg aplikacij usmernikov je ogromen in nemogoče jih je vse našteti v enem pregledu.
Principi usmernikov
Usmerniške naprave temeljijo na lastnosti enosmerne prevodnosti elementov. To je mogoče storiti na različne načine.Številni načini za industrijsko uporabo so stvar preteklosti, na primer uporaba mehanskih sinhronih strojev ali vakuumskih naprav. Dandanes se uporabljajo ventili, ki vodijo tok na eno stran. Ne tako dolgo nazaj so se živosrebrne naprave uporabljale za močnostne usmernike. Danes so jih praktično izpodrinili polprevodniški (silicijevi) elementi.
Tipično vezje usmernika
Usmerniška naprava je lahko zgrajena po različnih principih. Pri analizi shem naprav je treba upoštevati, da lahko napetost na izhodu katerega koli usmernika imenujemo konstantna le pogojno. Ta enota proizvaja pulzirajočo enosmerno napetost, ki jo je v večini primerov treba izravnati s filtri. Nekateri porabniki zahtevajo tudi stabilizacijo usmerjene napetosti.
Enofazni usmerniki
Najenostavnejši usmernik izmenične napetosti je ena dioda.
Prenese pozitivni polval sinusnega vala do potrošnika in "odreže" negativni polval.
Področje uporabe takšne naprave je majhno - predvsem, Usmerniki v stikalnih napajalnikihUsmerniki impulznih napajalnikov, ki delujejo pri relativno visokih frekvencah. Čeprav oddaja tok, ki teče v eno smer, ima precejšnje pomanjkljivosti:
- visoka stopnja valovanja - za izravnavo in doseganje konstantnega toka bo potreben velik in okoren kondenzator;
- nepopolna uporaba moči padajočega (ali povečanega) transformatorja, kar vodi do povečanja zahtevane teže in dimenzij;
- povprečni izhodni EMF je manjši od polovice vhodnega EMF;
- povečane zahteve za diodo (po drugi strani - potreben je samo en ventil).
Zato je najbolj razširjena Dvopolperiodno (mostno) vezje.
Tukaj tok skozi breme teče dvakrat na obdobje v isto smer:
- pozitivni polval vzdolž poti, označene z rdečimi puščicami;
- negativni polval vzdolž poti, označene z zelenimi puščicami.
Negativni val se ne izgubi in se tudi izkoristi, zato je moč vhodnega transformatorja bolj izkoriščena. Povprečna EMF je dvakrat večja od enojne polvalovne različice. Oblika pulzirajočega toka je veliko bližje ravni črti, vendar je gladilni kondenzator še vedno potreben. Njegova zmogljivost in dimenzije bodo manjše kot v prejšnjem primeru, ker je frekvenca pulziranja dvakrat večja od frekvence omrežne napetosti.
Če imate transformator z dvema enakima navitjema, ki ju lahko povežete zaporedno ali z navitjem, ki ima odcep na sredini, lahko dvopolperiodni usmernik zgradite po drugem vezju.
To je pravzaprav podvojitev usmernika z eno polperido, vendar ima vse prednosti dvojne polperiode. Pomanjkljivost je potreba po transformatorju posebne zasnove.
Če je transformator narejen amatersko, ni ovir, da bi sekundar navijali po potrebi, le železo bo moralo biti nekoliko predimenzionirano. Toda namesto 4 diod sta uporabljeni samo 2 diodi. To bo nadomestilo izgubo teže in dimenzij ter celo zmagalo.
Če je usmernik zasnovan za velik tok in je treba ventile namestiti na hladilna telesa, potem namestitev polovice števila diod znatno prihrani. Upoštevati je treba tudi, da ima takšen usmernik dvakrat večji notranji upor v primerjavi z mostnim vezjem, zato bo tudi segrevanje navitij transformatorja in s tem povezane izgube večje.
Trifazni usmerniki
Iz prejšnjega vezja je logično preiti na trifazni napetostni usmernik, sestavljen na podobnem principu.
Oblika izhodne napetosti je veliko bližje ravni črti, stopnja valovanja je le 14%, frekvenca pa je enaka trojni frekvenci omrežne napetosti.
In vendar je vir tega vezja en sam polperiodni usmernik, zato mnogih pomanjkljivosti ni mogoče odpraviti niti s trifaznim virom napetosti. Glavna je, da moč transformatorja ni v celoti izkoriščena, povprečni EMF pa je 1,17⋅E2eff (efektivni sekundarni EMF transformatorja).
Najboljše parametre ima mostno trifazno vezje.
Tukaj je amplituda valovanja izhodne napetosti enaka 14%, vendar je frekvenca enaka spodnji frekvenci vhodne izmenične napetosti, zato bo kapacitivnost filtrirnega kondenzatorja najmanjša od vseh predstavljenih možnosti. In izhodni EMF bo dvakrat večji kot v prejšnjem vezju.
Ta usmernik se uporablja z izhodnim transformatorjem, ki ima sekundarno navitje v vezju "zvezda", vendar bo isti sklop ventila veliko manj učinkovit, če se uporablja s transformatorjem, katerega izhod je vključen v vezje "trikot".
Tukaj sta amplituda in frekvenca valovanja enaka kot v prejšnji shemi. Toda povprečni EMF je nižji kot v prejšnjem krogu za faktor ena. Zato se ta povezava redko uporablja.
Usmerniki z množenjem napetosti
Možno je zgraditi usmernik, katerega izhodna napetost bo večkratnik vhodne napetosti. Na primer, obstajajo vezja s podvojitvijo napetosti:
Tukaj se kondenzator C1 napolni med negativno polperiodo in zaporedno preklopi s pozitivnim valom vhodnega sinusnega vala. Pomanjkljivost te konstrukcije je majhna obremenitev usmernika, pa tudi dejstvo, da je kondenzator C2 pod podvojeno vrednostjo napetosti. Zato se takšna shema uporablja v radijski tehniki za popravljanje s podvajanjem signalov nizke moči za amplitudne detektorje, kot merilno telo v vezjih za avtomatsko regulacijo ojačanja itd.
V elektrotehniki in močnostni elektroniki se uporablja druga različica podvojitvenega vezja.
Dupler, sestavljen po Latourjevem vezju, ima veliko nosilnost. Vsak od kondenzatorjev je pod vhodno napetostjo, zato je tudi ta različica po masi in dimenzijah boljša od prejšnje. V pozitivni polperiodi se kondenzator C1 napolni, v negativni polperiodi - C2. Kondenzatorji so vezani zaporedno, glede na breme pa vzporedno, zato je napetost na bremenu enaka vsoti napetosti nabitih kondenzatorjev. Frekvenca valovanja je enaka dvakratni frekvenci omrežne napetosti, vrednost pa je odvisna od glede na vrednost kondenzatorjev. Višje kot so, manjše je valovanje. In tukaj je treba najti razumen kompromis.
Pomanjkljivost vezja je prepoved ozemljitve enega od sponk bremena - v tem primeru bo ena od diod ali kondenzatorjev v kratkem stiku.
To vezje je mogoče kaskadirati poljubno število krat. Tako lahko z dvakratno ponovitvijo preklopnega principa dobite vezje s štirikratno napetostjo itd.
Prvi kondenzator v tokokrogu mora prenesti napetost napajalnika, ostali morajo biti sposobni podvojiti napajalno napetost. Vsa vrata morajo biti zasnovana za dvojno povratno napetost. Seveda morajo imeti vsi parametri za zanesljivo delovanje vezja vsaj 20% rezervo.
Če ni ustreznih diod, jih lahko povežete zaporedno - to bo povečalo največjo dovoljeno napetost za večkratnik. Toda vzporedno z vsako diodo morajo biti vključeni izravnalni upori. To je potrebno storiti, ker se sicer lahko zaradi variacije parametrov vrat povratna napetost neenakomerno porazdeli med diode. Rezultat je lahko najvišja vrednost za eno od diod. In če je vsak element verige ranžiran z uporom (njihova ocena mora biti enaka), bo povratna napetost porazdeljena popolnoma enako.Upornost vsakega upora mora biti približno 10-krat manjša od povratne upornosti diode. V tem primeru bo učinek dodatnih elementov na delovanje vezja čim manjši.
Vzporedna povezava diod v tem vezju verjetno ne bo potrebna, tokovi so majhni. Lahko pa je uporaben v drugih usmerniških tokokrogih, kjer obremenitev črpa resno moč. Vzporedna vezava pomnoži dovoljeni tok skozi ventil, vendar privije odstopanje parametra. Posledično lahko ena dioda prevzame največji tok in ga ne vzdrži. Da bi se temu izognili, je z vsako diodo zaporedno povezan upor.
Nazivna vrednost upora je izbrana tako, da je pri največjem toku padec napetosti na njem 1 volt. Torej, za tok 1 A mora biti upor 1 ohm. Moč v tem primeru mora biti najmanj 1 vat.
V teoriji se lahko večkratnost napetosti poveča do neskončnosti. V praksi ne pozabite, da se nosilnost takih usmernikov z vsako dodatno stopnjo močno zmanjša. Posledično lahko pride do situacije, ko bo pad napetosti na obremenitvi presegel večkratnost množenja in bo onemogočil delovanje usmernika. Ta pomanjkljivost je značilna za vsa taka vezja.
Pogosto so takšni napetostni multiplikatorji izdelani kot en sam modul v dobri izolaciji. Takšne naprave so na primer uporabljali za ustvarjanje visoke napetosti v televizorjih ali osciloskopih s katodno cevjo kot monitorjem. Znana so tudi podvojitvena vezja z dušilkami, vendar niso razširjena - dele navijanja je težko izdelati in niso zelo zanesljivi pri delovanju.
Shem usmernikov je kar veliko. Glede na široko paleto aplikacij te enote je pomembno zavestno pristopiti k izbiri vezja in izračunu elementov. Samo v tem primeru je zagotovljeno dolgo in zanesljivo delovanje.
Povezani članki:
