Elektrisk energi transporteras och omvandlas lämpligen i form av växelspänning. Det är i denna form som den levereras till slutkonsumenten. Men många apparater behöver fortfarande likspänning.
Innehåll
Likriktare inom elektroteknik
Likriktare används för att omvandla växelström till likström. Denna anordning används i stor utsträckning och de viktigaste användningsområdena för likriktare är inom radio- och elektroteknik:
- bildning av likström för elektriska kraftinstallationer (traktionsstationer, elektrolysanläggningar, synkrongeneratorers exciteringssystem) och kraftfulla likströmsmotorer;
- strömförsörjning för elektroniska apparater;
- Detektering av modulerade radiosignaler;
- Generering av direktspänning som är proportionell mot ingångssignalens nivå för att bygga automatiska förstärkningsregleringssystem.
Det finns många olika tillämpningar för likriktare och det är inte möjligt att räkna upp dem alla i en enda översikt.
Principer för likriktare
Likriktaranordningar bygger på principen om elementens enkelriktade ledningsförmåga. Detta kan göras på olika sätt. Många sätt för industriella tillämpningar hör till det förflutna - till exempel användningen av mekaniska synkronmaskiner eller elektriska vakuumapparater. Numera används ventiler som leder strömmen till en sida. För inte så länge sedan användes kvicksilveranordningar för likriktare med hög effekt. I dag har de praktiskt taget ersatts av halvledarelement (kisel).
Typiska likriktardiagram
Likriktningsanordningar kan konstrueras enligt olika principer. När man analyserar likriktardiagram bör man komma ihåg att spänningen vid utgången av en likriktare endast på konventionell väg kan sägas vara konstant. Denna enhet producerar en pulserande enkelriktad spänning som i de flesta fall måste jämnas ut med hjälp av filter. Vissa konsumenter kräver också stabilisering av den likriktade spänningen.
Enfasiga likriktare
Den enklaste växelströmslikriktaren är en enkel diod.
Den skickar den positiva halvvågen av sinusvågen till konsumenten och "skär av" den negativa halvvågen.
Användningsområdet för en sådan anordning är litet - huvudsakligen, Likriktare i strömförsörjningsaggregat med kopplat lägeLikriktaren har ett begränsat antal tillämpningar, främst i likriktare för switchande strömförsörjningar som arbetar vid relativt höga frekvenser. Även om den ger ström i en riktning har den stora nackdelar:
- hög nivå av krusning - en stor och otymplig kondensator skulle behövas för att jämna ut och producera en konstant ström;
- Underutnyttjande av transformatorkapaciteten för nedtrappning (eller upptrappning), vilket leder till ökade vikt- och storlekskrav;
- Den genomsnittliga utgående EMF är mindre än hälften av den ingående EMF;
- högre krav på dioder (å andra sidan behövs bara en ventil).
Därför är den mest utbredda Krets med dubbel halvperiod (brygga).
Här flyter strömmen genom belastningen två gånger per period i samma riktning:
- Den positiva halvvågen längs den väg som indikeras av de röda pilarna;
- den negativa halvvågen längs den väg som indikeras av de gröna pilarna.
Den negativa halvvågen går inte förlorad och används också, så att ingångstransformatorns effekt utnyttjas bättre. Den genomsnittliga EMF-strålningen är dubbelt så hög som för den enkla halvvågsversionen. Den pulserande strömformen är mycket närmare en rak linje, men en utjämningskondensator behövs fortfarande. Dess kapacitet och dimensioner kommer att vara mindre än i det föregående fallet, eftersom rippelfrekvensen är dubbelt så hög som nätspänningens frekvens.
Om det finns en transformator med två identiska lindningar som kan kopplas i serie, eller med lindningen avsmalnande från mitten, kan en likriktare med dubbla halva perioder konstrueras i en annan krets.
Den är egentligen en fördubbling av likriktaren med en enda halvperiod, men har fördelen av den dubbla halvperioden. Nackdelen är att transformatorn måste ha en särskild konstruktion.
Om transformatorn tillverkas av en amatör är det inget hinder för att lindning av sekundärledet sker enligt kraven, men järnet måste vara något överdimensionerat. Istället för 4 dioder används endast 2 dioder. Detta kompenserar för massförlusten och kan till och med ge en ökning.
Om likriktaren är konstruerad för hög ström och ventilerna måste monteras på kylflänsar, ger halva antalet dioder en betydande besparing. Observera också att likriktaren har dubbelt så stort inre motstånd som en bryggkrets, så uppvärmningen av transformatorlindningarna och de tillhörande förlusterna blir också högre.
Trefas likriktare
Från det föregående diagrammet är det logiskt att gå vidare till en likriktare för trefasspänning, som är uppbyggd enligt en liknande princip.
Utgångsspänningens form är mycket närmare en rät linje, rippelnivån är endast 14 % och frekvensen är lika med tre gånger nätspänningsfrekvensen.
Källan i den här kretsen är dock en halvperiodisk likriktare, så många av nackdelarna kan inte undvikas ens med en trefasig spänningskälla. Den största nackdelen är att transformatorn inte utnyttjas fullt ut, och den genomsnittliga EMF är 1,17⋅E2eff (effektiv sekundär EMF från transformatorn).
De bästa parametrarna ges av den trefasiga bryggkretsen.
Här är utgångsspänningens rippelamplitud samma 14 %, men frekvensen är lika med den lägre frekvensen för växelströmsingångsspänningen, så filterkondensatorns kapacitans blir den minsta av alla de alternativ som presenteras. Och den utgående EMF kommer att vara dubbelt så hög som i den föregående kretsen.
Den här likriktaren används med en utgångstransformator med en stjärnsekundär, men samma ventilarrangemang är mycket mindre effektivt när det används med en deltautgångstransformator.
Här är amplituden och frekvensen för krusningen densamma som i det föregående arrangemanget. Den genomsnittliga EMF är dock två gånger mindre än i den tidigare kretsen. Därför används denna anslutning sällan.
Likriktare med spänningsmultiplikation
Det är möjligt att konstruera en likriktare vars utgångsspänning är en multipel av ingångsspänningen. Det finns till exempel kretsar med spänningsfördubbling:
Här laddas kondensator C1 under den negativa halvcykeln och kopplas i serie med den positiva vågen i den ingående sinusvågen. Nackdelen med denna konstruktion är likriktarens låga belastningskapacitet och det faktum att kondensator C2 ligger under det dubbla spänningsvärdet. Därför används ett sådant system inom radioteknik för att likrikta med fördubbling av signaler med låg effekt för amplituddetektorer, som en mätkropp i kretsar för automatisk förstärkningsstyrning osv.
Inom elektroteknik och kraftelektronik används en annan variant av fördubblingskretsen.
En dubbler som är monterad enligt Latours krets har en stor lastkapacitet. Var och en av kondensatorerna ligger under ingångsspänningen, så när det gäller massa och dimensioner vinner den här varianten också över den föregående. Kondensatorn C1 laddas under den positiva halvperioden och C2 under den negativa halvperioden. Kondensatorerna är kopplade i serie och parallellt med belastningen, så spänningen över belastningen är summan av av spänningarna i de laddade kondensatorerna. Frekvensen för rippel är lika med dubbla frekvensen för linjespänningen, och storleken beror på värdet av kapacitansen. Ju högre kapacitans, desto lägre krusning. Även här måste man hitta en rimlig kompromiss.
Nackdelen med den här kretsen är att en av lastterminalerna inte får vara jordad - i så fall kommer en av dioderna eller kondensatorerna att kortslutas.
Denna krets kan kaskadkopplas hur många gånger som helst. Genom att upprepa kopplingsprincipen två gånger är det alltså möjligt att få en krets med fyrdubbling av spänningen osv.
Den första kondensatorn i kretsen måste kunna motstå spänningen från strömförsörjningen, de andra måste kunna motstå dubbelt så hög spänning som strömförsörjningen. Alla grindar måste vara dimensionerade för dubbla den omvända spänningen. För att kretsen ska fungera på ett tillförlitligt sätt måste alla parametrar naturligtvis ha en marginal på minst 20 %.
Om inga lämpliga dioder finns tillgängliga kan de kopplas i serie, vilket ökar den högsta tillåtna spänningen med en multipel. Men parallellt med varje diod måste utjämningsmotstånd ingå. Detta måste göras, eftersom den omvända spänningen annars kan fördelas ojämnt mellan dioderna på grund av variationen i grindparametrarna. Detta kan leda till att det högsta värdet för en av dioderna överskrids. Och om varje kedjeelement överbryggas av ett motstånd (deras nominella värde måste vara detsamma), kommer den omvända spänningen att fördelas strikt jämnt. Motståndet i varje motstånd bör vara ungefär 10 gånger mindre än diodens omvänd resistans. I detta fall minimeras effekten av ytterligare element på kretsens funktion.
Parallellkoppling av dioder i denna krets är knappast nödvändig, strömmarna är inte höga. Den kan dock vara användbar i andra likriktarkretsar där belastningen drar mycket ström. Parallellkoppling multiplicerar den tillåtna strömmen genom ventilen, men förstör variationen i parametrarna. Detta leder till att en diod kan ta emot den största strömmen men inte klara av att hantera den. För att undvika detta placeras ett motstånd i serie med varje diod.
Motståndet väljs så att spänningsfallet över det är 1 volt vid maximal strömstyrka. För en strömstyrka på 1 A ska motståndet alltså vara 1 ohm. Effekten måste i detta fall vara minst 1 W.
I teorin kan spänningsmultipliciteten ökas till oändlighet. I praktiken bör man komma ihåg att belastningskapaciteten hos sådana likriktare minskar kraftigt med varje ytterligare steg. Resultatet kan bli en situation där spänningsfallet i belastningen överstiger multiplikationens multiplicitet och gör likriktaren meningslös. Denna nackdel är gemensam för alla sådana kretsar.
Ofta tillverkas dessa spänningsmultiplikatorer som en enda modul med god isolering. Sådana anordningar har till exempel använts för att generera högspänning i tv-apparater eller oscilloskop med ett katodstrålerör som bildskärm. Dubbelkretsar som använder induktorer är också kända, men har inte fått någon större spridning - lindningsdelarna är svåra att tillverka och inte särskilt tillförlitliga i drift.
Det finns en hel del likriktarscheman tillgängliga. Med tanke på de många olika användningsområdena för denna enhet är det viktigt att välja krets och beräkna elementen på ett medvetet sätt. Det är bara då som en lång och pålitlig drift är garanterad.
Relaterade artiklar:
