L'energia elèctrica es transporta convenientment i es converteix en magnitud en forma de voltatge alterna. És d'aquesta forma que es lliura al consumidor final. Però per alimentar molts dispositius, encara necessiteu una tensió constant.
Contingut
Per què necessitem un rectificador en enginyeria elèctrica
La tasca de convertir la tensió CA a CC s'assigna als rectificadors. Aquest dispositiu és molt utilitzat, i les principals àrees d'ús dels dispositius rectificadors en ràdio i enginyeria elèctrica són:
- formació de corrent continu per a instal·lacions elèctriques de potència (subestacions de tracció, plantes d'electròlisi, sistemes d'excitació de generadors síncrons) i potents motors de corrent continu;
- fonts d'alimentació per a dispositius electrònics;
- detecció de senyals de ràdio modulats;
- formació d'una tensió constant proporcional al nivell del senyal d'entrada per construir sistemes de control automàtic de guany.
L'abast complet dels rectificadors és ampli i és impossible enumerar-lo en el marc d'una revisió.
Principis de funcionament dels rectificadors
El funcionament dels dispositius rectificadors es basa en la propietat de la conductivitat unilateral dels elements. Podeu fer-ho de diferents maneres. Moltes maneres d'aplicacions industrials s'han convertit en cosa del passat, com ara l'ús de màquines sincròniques mecàniques o dispositius d'electrobuit. Ara s'utilitzen vàlvules que condueixen el corrent en una direcció. No fa molt, s'utilitzaven dispositius de mercuri per a rectificadors d'alta potència. De moment, estan pràcticament substituïts per elements semiconductors (silici).
Circuits rectificadors típics
El dispositiu rectificador es pot construir segons diversos principis. Quan s'analitzen circuits de dispositius, cal recordar que la tensió constant a la sortida de qualsevol rectificador només es pot anomenar condicionalment. Aquest node produeix una tensió unidireccional pulsant, que en la majoria dels casos s'ha de suavitzar amb filtres. Alguns consumidors també requereixen l'estabilització de la tensió rectificada.
Rectificadors monofàsics
El rectificador de tensió de CA més senzill és un únic díode.
Passa les semiones positives de la sinusoide al consumidor i "talla" les negatives.
L'abast d'aquest dispositiu és petit, principalment, rectificadors d'alimentació de commutaciófuncionant a freqüències relativament altes. Tot i que produeix corrent que flueix en una direcció, té importants desavantatges:
- alt nivell de ondulació: per suavitzar i obtenir corrent continu, necessitareu un condensador gran i voluminós;
- ús incomplet de la potència del transformador reductor (o augmentador), que comporta un augment dels indicadors de pes i mida necessaris;
- l'EMF mitjà a la sortida és inferior a la meitat de l'EMF subministrat;
- requisits augmentats per al díode (d'altra banda, només es necessita una vàlvula).
Per tant, més estesa circuit d'ona completa (pont)..
Aquí, el corrent flueix a través de la càrrega dues vegades per període en una direcció:
- mitja ona positiva al llarg del camí indicat per fletxes vermelles;
- mitja ona negativa al llarg del camí indicat per fletxes verdes.
L'ona negativa no desapareix, sinó que també s'utilitza, de manera que la potència del transformador d'entrada s'utilitza més plenament. L'EMF mitjà és el doble que la versió de mitja ona. La forma del corrent ondulat és molt més propera a una línia recta, però encara es necessita un condensador de suavització. La seva capacitat i dimensions seran menors que en el cas anterior, perquè la freqüència d'ondulació és el doble de la freqüència de la tensió de xarxa.
Si hi ha un transformador amb dos bobinatges idèntics que es poden connectar en sèrie o amb un bobinatge amb una aixeta des del mig, es pot construir un rectificador d'ona completa segons un esquema diferent.
Aquesta opció és en realitat un circuit doble d'un rectificador de mitja ona, però té tots els avantatges d'un rectificador d'ona completa. El desavantatge és la necessitat d'utilitzar un transformador d'un disseny específic.
Si el transformador es fa en condicions d'aficionat, no hi ha obstacles per enrotllar el bobinatge secundari segons sigui necessari, però caldrà utilitzar ferro una mica més gran. Però en lloc de 4 díodes, només s'utilitzen 2. Això permetrà compensar la pèrdua d'indicadors de pes i mida, i fins i tot guanyar.
Si el rectificador està dissenyat per a un corrent elevat i les vàlvules s'han d'instal·lar als radiadors, instal·lar la meitat del nombre de díodes suposa un estalvi important. També s'ha de tenir en compte que un rectificador d'aquest tipus té el doble de resistència interna respecte a la muntada en un circuit pont, per la qual cosa l'escalfament dels bobinatges del transformador i les pèrdues associades també seran més grans.
Rectificadors trifàsics
Del circuit anterior, és lògic passar a un rectificador de tensió trifàsic, muntat segons un principi similar.
La forma de la tensió de sortida és molt més propera a una línia recta, el nivell de ondulació és només del 14% i la freqüència és igual a tres vegades la freqüència de la tensió de la xarxa.
I, tanmateix, la font d'aquest circuit és un rectificador de mitja ona, de manera que moltes de les deficiències no es poden superar fins i tot amb una font de tensió trifàsica. El principal és l'ús incomplet de la potència del transformador, i la EMF mitjana és 1,17⋅E2eff (valor efectiu de la FEM del bobinatge secundari del transformador).
Els millors paràmetres tenen un circuit de pont trifàsic.
Aquí, l'amplitud de la ondulació de la tensió de sortida és la mateixa del 14%, però la freqüència és igual a la freqüència hexagonal de la tensió de CA d'entrada, de manera que la capacitat del condensador del filtre serà la més petita de totes les opcions presentades. I l'EMF de sortida serà el doble que en el circuit anterior.
Aquest rectificador s'utilitza amb un transformador de sortida amb un bobinatge secundari en estrella, però el mateix conjunt de vàlvules serà molt menys eficient quan s'utilitza juntament amb un transformador la sortida del qual està connectada en delta.
Aquí l'amplitud i la freqüència de les pulsacions són les mateixes que en el circuit anterior. Però l'EMF mitjà és menor que en l'esquema anterior en temps. Per tant, aquesta inclusió s'utilitza poques vegades.
Rectificadors multiplicadors de tensió
És possible construir un rectificador la tensió de sortida del qual serà múltiple de la tensió d'entrada. Per exemple, hi ha circuits amb duplicació de voltatge:
Aquí, el condensador C1 es carrega durant el mig cicle negatiu i es commuta en sèrie amb l'ona positiva de l'ona sinusoïdal d'entrada. El desavantatge d'aquesta construcció és la baixa capacitat de càrrega del rectificador, així com el fet que el condensador C2 està per sota del doble del valor de tensió. Per tant, aquest circuit s'utilitza en enginyeria de ràdio per duplicar la rectificació de senyals de baixa potència per a detectors d'amplitud, com a element de mesura en circuits de control automàtic de guany, etc.
En enginyeria elèctrica i electrònica de potència, s'utilitza una altra versió de l'esquema de duplicació.
El doblador, muntat segons l'esquema de Latour, té una gran capacitat de càrrega. Cadascun dels condensadors està sota tensió d'entrada, per tant, pel que fa a pes i mida, aquesta opció també supera l'anterior. Durant el mig cicle positiu, el condensador C1 es carrega, durant el negatiu - C2. Els condensadors es connecten en sèrie i en relació amb la càrrega, en paral·lel, de manera que la tensió a través de la càrrega és igual a la suma tensió dels condensadors carregats. La freqüència d'ondulació és igual al doble de la freqüència de la tensió de xarxa i el valor depèn del valor de les capacitats. Com més grans siguin, menys ondulació. I aquí cal trobar un compromís raonable.
El desavantatge del circuit és la prohibició de posar a terra un dels terminals de càrrega: un dels díodes o condensadors en aquest cas es veurà curt.
Aquest circuit es pot posar en cascada qualsevol nombre de vegades. Per tant, repetint el principi d'inclusió dues vegades, podeu obtenir un circuit amb tensió quàdruple, etc.
El primer condensador del circuit ha de suportar la tensió de la font d'alimentació, la resta - el doble de la tensió d'alimentació. Totes les vàlvules han de tenir una doble tensió inversa. Per descomptat, per al funcionament fiable del circuit, tots els paràmetres han de tenir un marge d'almenys el 20%.
Si no hi ha díodes adequats, es poden connectar en sèrie; en aquest cas, la tensió màxima permesa augmentarà en un factor d'1. Però en paral·lel a cada díode, s'han de connectar resistències d'equalització. Això s'ha de fer, perquè en cas contrari, a causa de la propagació dels paràmetres de les vàlvules, la tensió inversa es pot distribuir de manera desigual entre els díodes. El resultat pot ser l'excés del valor més gran d'un dels díodes. I si cada element de la cadena es deriva amb una resistència (el seu valor ha de ser el mateix), aleshores la tensió inversa es distribuirà exactament igual. La resistència de cada resistència hauria de ser aproximadament 10 vegades menor que la resistència inversa del díode. En aquest cas, es minimitzarà l'efecte dels elements addicionals sobre el funcionament del circuit.
És poc probable que es necessiti connexió paral·lel de díodes en aquest circuit, els corrents aquí són petits. Però pot ser útil en altres circuits rectificadors on la càrrega consumeix una gran potència. La connexió en paral·lel multiplica el corrent admissible a través de la vàlvula, però tot fa malbé la desviació dels paràmetres. Com a resultat, un díode pot agafar el més corrent i no suportar-lo. Per evitar-ho, es col·loca una resistència en sèrie amb cada díode.
El valor de la resistència s'escull de manera que al corrent màxim la caiguda de tensió a través d'ell sigui d'1 volt. Per tant, a un corrent d'1 A, la resistència hauria de ser d'1 ohm. La potència en aquest cas hauria de ser d'almenys 1 watt.
En teoria, la multiplicitat de voltatge es pot augmentar indefinidament. A la pràctica, cal recordar que la capacitat de càrrega d'aquests rectificadors disminueix bruscament amb cada etapa addicional. Com a resultat, podeu arribar a una situació en què la caiguda de tensió a través de la càrrega supera el factor de multiplicació i fa que el funcionament del rectificador no tingui sentit. Aquest desavantatge és inherent a tots aquests esquemes.
Sovint, aquests multiplicadors de tensió es produeixen com un únic mòdul amb un bon aïllament. Es van utilitzar dispositius similars, per exemple, per crear alt voltatge en televisors o oscil·loscopis amb un tub de raigs catòdics com a monitor. També es coneixen esquemes de duplicació que utilitzen bobines, però no han rebut distribució: les peces de bobinatge són difícils de fabricar i no són gaire fiables en el seu funcionament.
Hi ha molts circuits rectificadors. Donat l'ampli abast d'aquest node, és important abordar l'elecció del circuit i el càlcul dels elements de manera conscient. Només en aquest cas es garanteix un funcionament llarg i fiable.
Articles semblants:
