Energia elektryczna jest dogodnie transportowana i przekształcana pod względem wielkości w postaci napięcia przemiennego. W tej formie jest dostarczany do konsumenta końcowego. Ale do zasilania wielu urządzeń nadal potrzebujesz stałego napięcia.
Zawartość
Dlaczego potrzebujemy prostownika w elektrotechnice?
Prostownikom powierzono zadanie zamiany napięcia AC na DC. To urządzenie jest szeroko stosowane, a głównymi obszarami zastosowania urządzeń prostowniczych w radiotechnice i elektrotechnice są:
- wytwarzanie prądu stałego dla elektroenergetycznych instalacji energetycznych (podstacje trakcyjne, elektrolizy, układy wzbudzenia generatorów synchronicznych) i potężnych silników prądu stałego;
- zasilacze do urządzeń elektronicznych;
- wykrywanie modulowanych sygnałów radiowych;
- tworzenie stałego napięcia proporcjonalnego do poziomu sygnału wejściowego do budowy układów automatycznej regulacji wzmocnienia.
Pełen zakres prostowników jest obszerny i nie sposób go wymienić w ramach jednego przeglądu.
Zasady działania prostowników
Działanie urządzeń prostowniczych opiera się na właściwości jednostronnej przewodności elementów. Możesz to zrobić na różne sposoby. Wiele sposobów zastosowań przemysłowych odeszło w przeszłość, na przykład zastosowanie mechanicznych maszyn synchronicznych lub urządzeń elektropróżniowych. Obecnie stosuje się zawory, które przewodzą prąd w jednym kierunku. Nie tak dawno temu w prostownikach dużej mocy stosowano urządzenia rtęciowe. Obecnie są praktycznie wypierane przez elementy półprzewodnikowe (krzemowe).
Typowe obwody prostownikowe
Urządzenie prostownicze można zbudować według różnych zasad. Analizując obwody urządzeń, należy pamiętać, że stałe napięcie na wyjściu dowolnego prostownika można nazwać tylko warunkowo. Węzeł ten wytwarza pulsujące jednokierunkowe napięcie, które w większości przypadków musi być wygładzone przez filtry. Niektórzy odbiorcy wymagają również stabilizacji wyprostowanego napięcia.
Prostowniki jednofazowe
Najprostszy prostownik napięcia przemiennego to pojedyncza dioda.
Przekazuje konsumentowi dodatnie półfale sinusoidy i „odcina” ujemne.
Zakres takiego urządzenia jest niewielki - głównie przełączanie prostowników zasilających,działający na stosunkowo wysokich częstotliwościach. Chociaż wytwarza prąd płynący w jednym kierunku, ma istotne wady:
- wysoki poziom tętnień - aby wygładzić i uzyskać prąd stały, potrzebny będzie duży i nieporęczny kondensator;
- niepełne wykorzystanie mocy transformatora obniżającego (lub podwyższającego), prowadzące do wzrostu wymaganych wskaźników masy i wielkości;
- średnia EMF na wyjściu jest mniejsza niż połowa dostarczonej EMF;
- zwiększone wymagania dotyczące diody (z drugiej strony potrzebny jest tylko jeden zawór).
Dlatego bardziej rozpowszechnione obwód pełnofalowy (mostkowy).
Tutaj prąd przepływa przez obciążenie dwa razy na okres w jednym kierunku:
- dodatnia półfala wzdłuż ścieżki wskazanej czerwonymi strzałkami;
- ujemna półfala wzdłuż ścieżki wskazanej zielonymi strzałkami.
Fala ujemna nie znika, ale jest również wykorzystywana, dzięki czemu moc transformatora wejściowego jest wykorzystywana pełniej. Średnie pole elektromagnetyczne jest dwukrotnie większe niż w wersji półfalowej. Kształt prądu tętniącego jest znacznie bliższy linii prostej, ale nadal wymagany jest kondensator wygładzający. Jego pojemność i wymiary będą mniejsze niż w poprzednim przypadku, ponieważ częstotliwość tętnień jest dwukrotnie większa niż częstotliwość napięcia sieciowego.
Jeśli istnieje transformator z dwoma identycznymi uzwojeniami, które można połączyć szeregowo lub z uzwojeniem mającym odczep od środka, prostownik pełnookresowy można zbudować według innego schematu.
Ta opcja jest w rzeczywistości podwójnym obwodem prostownika półfalowego, ale ma wszystkie zalety prostownika pełnookresowego. Wadą jest konieczność zastosowania transformatora o określonej konstrukcji.
Jeśli transformator jest wykonany w warunkach amatorskich, nie ma przeszkód w nawijaniu uzwojenia wtórnego zgodnie z wymaganiami, ale trzeba będzie zastosować nieco większe żelazo. Ale zamiast 4 diod używane są tylko 2. Pozwoli to zrekompensować utratę wskaźników wagi i wielkości, a nawet wygrać.
Jeżeli prostownik przeznaczony jest na duży prąd, a zawory muszą być zainstalowane na grzejnikach, to zainstalowanie połowy liczby diod daje znaczne oszczędności. Należy również wziąć pod uwagę, że taki prostownik ma dwukrotnie większą rezystancję wewnętrzną w porównaniu z montowanym w obwodzie mostkowym, więc nagrzewanie się uzwojeń transformatora i związane z tym straty również będą większe.
Prostowniki trójfazowe
Z poprzedniego obwodu logiczne jest przejście do trójfazowego prostownika napięciowego, zmontowanego zgodnie z podobną zasadą.
Kształt napięcia wyjściowego jest znacznie bliższy linii prostej, poziom tętnień wynosi tylko 14%, a częstotliwość jest równa trzykrotnej częstotliwości napięcia sieciowego.
A jednak źródłem tego obwodu jest prostownik półfalowy, więc wielu niedociągnięć nie da się wyeliminować nawet przy użyciu trójfazowego źródła napięcia. Głównym z nich jest niepełne wykorzystanie mocy transformatora, a średnia EMF wynosi 1,17⋅E2eff (efektywna wartość pola elektromagnetycznego uzwojenia wtórnego transformatora).
Najlepsze parametry ma trójfazowy obwód mostkowy.
Tutaj amplituda tętnienia napięcia wyjściowego jest taka sama 14%, ale częstotliwość jest równa heksagonalnej częstotliwości wejściowego napięcia przemiennego, więc pojemność kondensatora filtrującego będzie najmniejsza ze wszystkich przedstawionych opcji. A wyjściowa siła elektromotoryczna będzie dwukrotnie wyższa niż w poprzednim obwodzie.
Ten prostownik jest używany z transformatorem wyjściowym mającym uzwojenie wtórne w gwiazdę, ale ten sam zespół zaworów będzie znacznie mniej wydajny, gdy zostanie użyty w połączeniu z transformatorem, którego wyjście jest połączone w trójkąt.
Tutaj amplituda i częstotliwość pulsacji są takie same jak w poprzednim obwodzie. Ale średnia EMF jest czasami mniejsza niż w poprzednim schemacie. Dlatego włączenie to jest rzadko używane.
Prostowniki powielacza napięcia
Możliwe jest zbudowanie prostownika, którego napięcie wyjściowe będzie wielokrotnością napięcia wejściowego. Na przykład istnieją obwody z podwojeniem napięcia:
Tutaj kondensator C1 ładuje się podczas ujemnego półcyklu i jest przełączany szeregowo z dodatnią falą wejściowej fali sinusoidalnej. Wadą tej konstrukcji jest mała obciążalność prostownika, a także to, że kondensator C2 jest pod dwukrotnie wyższym napięciem. Dlatego taki obwód jest stosowany w radiotechnice do podwojenia prostowania sygnałów małej mocy dla detektorów amplitudy, jako element pomiarowy w obwodach automatycznej regulacji wzmocnienia itp.
W elektrotechnice i energoelektronice stosowana jest inna wersja schematu podwajania.
Podwajacz, montowany według schematu Latoura, ma dużą ładowność. Każdy z kondensatorów jest pod napięciem wejściowym, dlatego pod względem masy i rozmiaru ta opcja również przewyższa poprzednią. Podczas dodatniego półcyklu kondensator C1 jest ładowany, podczas ujemnego - C2. Kondensatory są połączone szeregowo, a w stosunku do obciążenia - równolegle, więc napięcie na obciążeniu jest równe sumie napięcie naładowanych kondensatorów. Częstotliwość tętnień jest równa dwukrotności częstotliwości napięcia sieciowego, a wartość zależy od wartości pojemności. Im są większe, tym mniej fal. I tu trzeba znaleźć rozsądny kompromis.
Wadą układu jest zakaz uziemienia jednego z zacisków obciążenia - jedna z diod lub kondensatorów w tym przypadku będzie zwarta.
Ten obwód może być kaskadowany dowolną liczbę razy. Tak więc, powtarzając zasadę włączenia dwukrotnie, możesz uzyskać obwód z poczwórnym napięciem itp.
Pierwszy kondensator w obwodzie musi wytrzymać napięcie zasilacza, reszta - dwukrotność napięcia zasilania. Wszystkie zawory muszą być przystosowane do podwójnego napięcia wstecznego. Oczywiście dla niezawodnego działania obwodu wszystkie parametry muszą mieć margines co najmniej 20%.
Jeśli nie ma odpowiednich diod, można je połączyć szeregowo - w takim przypadku maksymalne dopuszczalne napięcie wzrośnie o współczynnik 1. Ale równolegle z każdą diodą należy podłączyć rezystory wyrównawcze. Należy to zrobić, ponieważ w przeciwnym razie, ze względu na rozrzut parametrów zaworów, napięcie wsteczne może być rozłożone nierównomiernie między diodami. Skutkiem może być przekroczenie największej wartości dla jednej z diod. A jeśli każdy element łańcucha jest bocznikowany rezystorem (ich wartość musi być taka sama), wówczas napięcie wsteczne zostanie rozłożone dokładnie tak samo. Rezystancja każdego rezystora powinna być około 10 razy mniejsza niż rezystancja wsteczna diody. W takim przypadku wpływ dodatkowych elementów na działanie obwodu zostanie zminimalizowany.
Równoległe połączenie diod w tym obwodzie raczej nie będzie potrzebne, prądy tutaj są niewielkie. Ale może być przydatny w innych obwodach prostownikowych, w których obciążenie zużywa znaczną moc. Połączenie równoległe zwielokrotnia dopuszczalny prąd przez zawór, ale wszystko psuje odchylenie parametrów. W rezultacie jedna dioda może przyjąć najwięcej prądu i nie wytrzymać. Aby tego uniknąć, z każdą diodą połączony jest szeregowo rezystor.
Wartość rezystancji dobiera się tak, aby przy maksymalnym prądzie spadek napięcia na nim wynosił 1 wolt. Tak więc przy prądzie 1 A rezystancja powinna wynosić 1 om. Moc w tym przypadku powinna wynosić co najmniej 1 wat.
Teoretycznie krotność napięcia można zwiększać w nieskończoność. W praktyce należy pamiętać, że obciążalność takich prostowników gwałtownie spada z każdym dodatkowym stopniem. W efekcie może dojść do sytuacji, w której spadek napięcia na obciążeniu przekracza mnożnik i sprawia, że praca prostownika staje się bezsensowna. Ta wada jest nieodłączna we wszystkich takich schematach.
Często takie powielacze napięcia są produkowane jako pojedynczy moduł w dobrej izolacji. Podobne urządzenia były używane na przykład do wytwarzania wysokiego napięcia w telewizorach lub oscyloskopach z kineskopem jako monitorem. Znane są również schematy podwojenia za pomocą dławików, ale nie otrzymały one dystrybucji - części uzwojenia są trudne do wyprodukowania i niezbyt niezawodne w działaniu.
Istnieje wiele obwodów prostownikowych. Biorąc pod uwagę szeroki zakres tego węzła, ważne jest, aby świadomie podejść do wyboru obwodu i obliczenia elementów. Tylko w tym przypadku gwarantowana jest długa i niezawodna praca.
Podobne artykuły:
