Elektrická energia sa pohodlne prenáša a mení vo forme striedavého napätia. Práve v takejto forme je dodávaný konečnému spotrebiteľovi. Ale na napájanie mnohých zariadení stále potrebujete konštantné napätie.
Obsah
Prečo potrebujeme v elektrotechnike usmerňovač
Úloha premeny striedavého napätia na jednosmerné je priradená usmerňovačom. Toto zariadenie je široko používané a hlavné oblasti použitia usmerňovacích zariadení v rádiu a elektrotechnike sú:
- tvorba jednosmerného prúdu pre silové elektrické inštalácie (trakčné rozvodne, elektrolýzne, budiace systémy synchrónnych generátorov) a výkonné jednosmerné motory;
- napájacie zdroje pre elektronické zariadenia;
- detekcia modulovaných rádiových signálov;
- vytvorenie konštantného napätia úmerného úrovni vstupného signálu pre budovanie systémov automatického riadenia zisku.
Celý rozsah usmerňovačov je rozsiahly a nie je možné ho uviesť v rámci jednej recenzie.
Princípy činnosti usmerňovačov
Činnosť usmerňovacích zariadení je založená na vlastnosti jednostrannej vodivosti prvkov. Môžete to urobiť rôznymi spôsobmi. Mnohé spôsoby pre priemyselné aplikácie sa stali minulosťou, ako napríklad používanie mechanických synchrónnych strojov alebo elektrovákuových zariadení. Teraz sa používajú ventily, ktoré vedú prúd v jednom smere. Nie je to tak dávno, čo sa ortuťové zariadenia používali pre usmerňovače s vysokým výkonom. V súčasnosti sú prakticky nahradené polovodičovými (kremíkovými) prvkami.
Typické usmerňovacie obvody
Usmerňovacie zariadenie môže byť postavené podľa rôznych princípov. Pri analýze obvodov zariadenia je potrebné pamätať na to, že konštantné napätie na výstupe akéhokoľvek usmerňovača možno volať iba podmienene. Tento uzol vytvára pulzujúce jednosmerné napätie, ktoré musí byť vo väčšine prípadov vyhladené filtrami. Niektorí spotrebitelia tiež vyžadujú stabilizáciu usmerneného napätia.
Jednofázové usmerňovače
Najjednoduchším usmerňovačom striedavého napätia je jedna dióda.
Spotrebiteľovi odovzdá pozitívne polvlny sínusoidy a tie negatívne „odstrihne“.
Rozsah takéhoto zariadenia je malý - hlavne spínané usmerňovače napájaniapracujú na relatívne vysokých frekvenciách. Hoci produkuje prúd tečúci jedným smerom, má významné nevýhody:
- vysoká úroveň zvlnenia - na vyhladenie a získanie jednosmerného prúdu budete potrebovať veľký a objemný kondenzátor;
- neúplné využitie výkonu zostupného (alebo zostupného) transformátora, čo vedie k zvýšeniu požadovaných ukazovateľov hmotnosti a veľkosti;
- priemerný EMF na výstupe je menší ako polovica dodaného EMF;
- zvýšené požiadavky na diódu (na druhej strane je potrebný iba jeden ventil).
Preto rozšírenejšie celovlnný (mostový) okruh.
Tu prúd preteká záťažou dvakrát za periódu v jednom smere:
- kladná polvlna pozdĺž cesty označenej červenými šípkami;
- záporná polvlna pozdĺž cesty označenej zelenými šípkami.
Záporná vlna nezmizne, ale je tiež využitá, takže výkon vstupného transformátora sa využíva plnohodnotnejšie. Priemerné EMF je dvakrát vyššie ako pri verzii s polvlnou. Tvar zvlneného prúdu je oveľa bližšie k priamke, ale stále je potrebný vyhladzovací kondenzátor. Jeho kapacita a rozmery budú menšie ako v predchádzajúcom prípade, pretože frekvencia zvlnenia je dvojnásobkom frekvencie sieťového napätia.
Ak existuje transformátor s dvoma identickými vinutiami, ktoré môžu byť zapojené do série alebo s vinutím s odbočkou zo stredu, môže byť celovlnný usmerňovač zostavený podľa inej schémy.
Táto možnosť je vlastne dvojitý obvod polvlnného usmerňovača, ale má všetky výhody celovlnného usmerňovača. Nevýhodou je nutnosť použitia transformátora špecifickej konštrukcie.
Ak je transformátor vyrobený v amatérskych podmienkach, neexistujú žiadne prekážky pre navíjanie sekundárneho vinutia podľa potreby, ale bude potrebné použiť o niečo väčšie železo. Ale namiesto 4 diód sa používajú iba 2. To umožní kompenzovať stratu ukazovateľov hmotnosti a veľkosti a dokonca aj vyhrať.
Ak je usmerňovač navrhnutý pre vysoký prúd a ventily musia byť inštalované na radiátoroch, potom inštalácia polovičného počtu diód poskytuje značné úspory. Treba tiež brať do úvahy, že takýto usmerňovač má dvojnásobný vnútorný odpor v porovnaní s tým, ktorý je zostavený v mostíkovom obvode, takže zahrievanie vinutí transformátora a s tým spojené straty budú tiež vyššie.
Trojfázové usmerňovače
Z predchádzajúceho obvodu je logické prejsť na trojfázový usmerňovač napätia, zostavený podľa podobného princípu.
Tvar výstupného napätia je oveľa bližšie k priamke, úroveň zvlnenia je iba 14% a frekvencia sa rovná trojnásobku frekvencie sieťového napätia.
A predsa je zdrojom tohto obvodu polvlnový usmerňovač, takže mnohé nedostatky nemožno prekonať ani s trojfázovým zdrojom napätia. Hlavným z nich je neúplné využitie výkonu transformátora a priemerná EMF je 1,17⋅E2eff (efektívna hodnota EMF sekundárneho vinutia transformátora).
Najlepšie parametre má trojfázový mostíkový obvod.
Tu je amplitúda zvlnenia výstupného napätia rovnaká 14%, ale frekvencia sa rovná šesťuholníkovej frekvencii vstupného striedavého napätia, takže kapacita filtračného kondenzátora bude najmenšia zo všetkých prezentovaných možností. A výstupný EMF bude dvakrát vyšší ako v predchádzajúcom okruhu.
Tento usmerňovač sa používa s výstupným transformátorom, ktorý má hviezdicové sekundárne vinutie, ale rovnaká zostava ventilu bude oveľa menej účinná, ak sa použije v spojení s transformátorom, ktorého výstup je zapojený do trojuholníka.
Tu sú amplitúda a frekvencia pulzácií rovnaké ako v predchádzajúcom obvode. Priemerný EMF je však nižší ako v predchádzajúcej schéme v časoch. Preto sa toto začlenenie používa zriedka.
Usmerňovače s násobičom napätia
Je možné postaviť usmerňovač, ktorého výstupné napätie bude násobkom vstupného napätia. Napríklad existujú obvody so zdvojnásobením napätia:
Tu sa kondenzátor C1 nabíja počas záporného polcyklu a zapína sa v sérii s kladnou vlnou vstupnej sínusovej vlny. Nevýhodou tejto konštrukcie je malá zaťažiteľnosť usmerňovača, ako aj fakt, že kondenzátor C2 je pod dvojnásobnou hodnotou napätia. Preto sa takýto obvod používa v rádiotechnike na zdvojenie usmerňovania signálov s nízkym výkonom pre amplitúdové detektory, ako merací prvok v obvodoch automatického riadenia zisku atď.
V elektrotechnike a výkonovej elektronike sa používa iná verzia schémy zdvojenia.
Zdvojovač, zostavený podľa schémy Latour, má veľkú nosnosť. Každý z kondenzátorov je pod vstupným napätím, preto z hľadiska hmotnosti a veľkosti aj táto možnosť prevyšuje tú predchádzajúcu. Počas kladného polcyklu sa kondenzátor C1 nabíja, počas záporného - C2. Kondenzátory sú zapojené do série a vo vzťahu k záťaži - paralelne, takže napätie na záťaži sa rovná súčtu napätie nabitých kondenzátorov. Frekvencia zvlnenia sa rovná dvojnásobku frekvencie sieťového napätia a hodnota závisí z hodnoty kapacít. Čím sú väčšie, tým menej sa vlnia. A tu je potrebné nájsť rozumný kompromis.
Nevýhodou obvodu je zákaz uzemnenia jednej zo záťažových svoriek - jedna z diód alebo kondenzátorov v tomto prípade bude skratovaná.
Tento okruh môže byť kaskádovaný ľubovoľný počet krát. Takže dvojitým opakovaním princípu zahrnutia môžete získať obvod so štvornásobným napätím atď.
Prvý kondenzátor v obvode musí vydržať napätie napájacieho zdroja, zvyšok - dvojnásobok napájacieho napätia. Všetky ventily musia byť dimenzované na dvojité spätné napätie. Samozrejme, pre spoľahlivú prevádzku okruhu musia mať všetky parametre rezervu aspoň 20%.
Ak neexistujú žiadne vhodné diódy, môžu byť zapojené do série - v tomto prípade sa maximálne prípustné napätie zvýši o faktor 1. Ale paralelne s každou diódou musia byť pripojené vyrovnávacie odpory. Toto je potrebné urobiť, pretože inak v dôsledku šírenia parametrov ventilov môže byť spätné napätie medzi diódami rozdelené nerovnomerne. Výsledkom môže byť prekročenie najväčšej hodnoty pre jednu z diód. A ak je každý prvok reťazca posunutý s odporom (ich hodnota musí byť rovnaká), spätné napätie bude distribuované presne rovnako. Odpor každého odporu by mal byť približne 10-krát menší ako spätný odpor diódy. V tomto prípade bude vplyv ďalších prvkov na prevádzku obvodu minimalizovaný.
Je nepravdepodobné, že bude potrebné paralelné pripojenie diód v tomto obvode, prúdy sú tu malé. Môže však byť užitočný v iných obvodoch usmerňovača, kde záťaž spotrebúva značnú energiu. Paralelné pripojenie znásobuje prípustný prúd cez ventil, ale všetko kazí odchýlka parametrov. Výsledkom je, že jedna dióda môže prijať najviac prúdu a nevydrží to. Aby sa tomu zabránilo, odpor je umiestnený v sérii s každou diódou.
Hodnota odporu je zvolená tak, aby pri maximálnom prúde bol pokles napätia na nej 1 volt. Takže pri prúde 1 A by mal byť odpor 1 ohm. Výkon v tomto prípade by mal byť aspoň 1 watt.
Teoreticky môže byť multiplicita napätia zvyšovaná donekonečna. V praxi treba pamätať na to, že nosnosť takýchto usmerňovačov s každým ďalším stupňom prudko klesá. V dôsledku toho sa môžete dostať do situácie, keď pokles napätia na záťaži prekročí multiplikačný faktor a činnosť usmerňovača nebude mať zmysel. Táto nevýhoda je vlastná všetkým takýmto schémam.
Často sa takéto násobiče napätia vyrábajú ako jeden modul s dobrou izoláciou. Podobné zariadenia sa používali napríklad na vytváranie vysokého napätia v televízoroch alebo osciloskopoch s katódovou trubicou ako monitorom. Sú známe aj schémy zdvojenia pomocou tlmiviek, ale nedostali distribúciu - časti vinutia sa ťažko vyrábajú a nie sú príliš spoľahlivé v prevádzke.
Existuje veľa usmerňovacích obvodov. Vzhľadom na široký rozsah tohto uzla je dôležité pristupovať k výberu obvodu a výpočtu prvkov vedome. Iba v tomto prípade je zaručená dlhá a spoľahlivá prevádzka.
Podobné články:
