Електрическата енергия се транспортира удобно и се преобразува по големина под формата на променливо напрежение. Именно в тази форма се доставя на крайния потребител. Но за да захранвате много устройства, все още се нуждаете от постоянно напрежение.
Съдържание
Защо имаме нужда от токоизправител в електротехниката
Задачата за преобразуване на променливотоково напрежение в DC е възложена на токоизправителите. Това устройство е широко използвано, а основните области на използване на изправителни устройства в радио и електротехниката са:
- формиране на постоянен ток за силови електрически инсталации (тягови подстанции, електролизни инсталации, системи за възбуждане на синхронни генератори) и мощни DC двигатели;
- захранвания за електронни устройства;
- откриване на модулирани радиосигнали;
- формиране на постоянно напрежение, пропорционално на нивото на входния сигнал за изграждане на системи за автоматичен контрол на усилването.
Пълният обхват на токоизправителите е обширен и е невъзможно да се изброи в рамките на един преглед.
Принципи на работа на токоизправителите
Работата на токоизправителните устройства се основава на свойството на едностранната проводимост на елементите. Можете да направите това по различни начини. Много начини за промишлени приложения са останали в миналото, като например използването на механични синхронни машини или електровакуумни устройства. Сега се използват клапани, които провеждат ток в една посока. Не толкова отдавна живачни устройства се използват за токоизправители с висока мощност. В момента те практически са изместени от полупроводникови (силициеви) елементи.
Типични токоизправителни вериги
Изправителното устройство може да бъде изградено според различни принципи. Когато анализирате веригите на устройството, трябва да се помни, че постоянното напрежение на изхода на всеки токоизправител може да се извика само условно. Този възел произвежда пулсиращо еднопосочно напрежение, което в повечето случаи трябва да бъде изгладено от филтри. Някои консуматори също изискват стабилизиране на изправеното напрежение.
Еднофазни токоизправители
Най-простият токоизправител на променливо напрежение е единичен диод.
Той предава положителните полувълни на синусоидата към потребителя и „отрязва“ отрицателните.
Обхватът на такова устройство е малък - главно, импулсни захранващи токоизправителиработещи на относително високи честоти. Въпреки че произвежда ток, протичащ в една посока, той има значителни недостатъци:
- високо ниво на пулсации - за изглаждане и получаване на постоянен ток ще ви е необходим голям и обемист кондензатор;
- непълно използване на мощността на понижаващия (или повишаващ) трансформатор, което води до увеличаване на необходимите показатели за тегло и размер;
- средната ЕМП на изхода е по-малка от половината от подадената ЕМП;
- повишени изисквания към диода (от друга страна е необходим само един клапан).
Следователно, по-разпространени пълновълнова (мостова) верига.
Тук токът протича през товара два пъти за период в една посока:
- положителна полувълна по пътя, обозначен с червени стрелки;
- отрицателна полувълна по пътя, обозначен със зелени стрелки.
Отрицателната вълна не изчезва, но също се използва, така че мощността на входния трансформатор се използва по-пълно. Средната ЕМП е два пъти по-голяма от тази с една половин вълна. Формата на тока на пулсации е много по-близка до права линия, но все пак е необходим изглаждащ кондензатор. Неговият капацитет и размери ще бъдат по-малки, отколкото в предишния случай, тъй като честотата на пулсации е два пъти по-голяма от честотата на мрежовото напрежение.
Ако има трансформатор с две еднакви намотки, които могат да бъдат свързани последователно или с намотка с кран от средата, може да се изгради пълновълнов токоизправител по друга схема.
Тази опция всъщност е двойна верига на полувълнов токоизправител, но има всички предимства на пълновълнов токоизправител. Недостатъкът е необходимостта от използване на трансформатор със специфичен дизайн.
Ако трансформаторът е направен в любителски условия, няма пречки за навиване на вторичната намотка според изискванията, но ще трябва да се използва малко по-голямо желязо. Но вместо 4 диода се използват само 2. Това ще позволи да се компенсира загубата на показатели за тегло и размер и дори да се спечели.
Ако токоизправителят е проектиран за висок ток и клапаните трябва да бъдат монтирани на радиатори, тогава инсталирането на половината от броя на диодите дава значителни спестявания. Трябва също да се има предвид, че такъв токоизправител има двойно по-голямо вътрешно съпротивление в сравнение с този, сглобен в мостова верига, така че нагряването на намотките на трансформатора и свързаните с това загуби също ще бъдат по-високи.
Трифазни токоизправители
От предишната схема е логично да се премине към трифазен токоизправител на напрежение, сглобен по подобен принцип.
Формата на изходното напрежение е много по-близка до права линия, нивото на пулсации е само 14%, а честотата е равна на три пъти честотата на мрежовото напрежение.
И все пак източникът на тази схема е полувълнов токоизправител, така че много от недостатъците не могат да бъдат преодолени дори с трифазен източник на напрежение. Основната е непълното използване на мощността на трансформатора, а средната ЕМП е 1,17⋅E2еф (ефективна стойност на ЕДС на вторичната намотка на трансформатора).
Най-добрите параметри имат трифазна мостова верига.
Тук амплитудата на пулсациите на изходното напрежение е същата 14%, но честотата е равна на шестоъгълната честота на входното променливо напрежение, така че капацитетът на филтърния кондензатор ще бъде най-малкият от всички представени опции. И изходният EMF ще бъде два пъти по-висок, отколкото в предишната верига.
Този токоизправител се използва с изходен трансформатор със звезда вторична намотка, но същият клапанен възел ще бъде много по-малко ефективен, когато се използва във връзка с трансформатор, чийто изход е свързан в триъгълник.
Тук амплитудата и честотата на пулсациите са същите като в предишната верига. Но средната ЕМП е по-малка, отколкото в предишната схема в пъти. Следователно това включване се използва рядко.
Токоизправители за умножители на напрежение
Възможно е да се изгради токоизправител, чието изходно напрежение ще бъде кратно на входното напрежение. Например, има вериги с удвояване на напрежението:
Тук кондензаторът C1 се зарежда по време на отрицателния полупериод и се превключва последователно с положителната вълна на входната синусоида. Недостатъкът на тази конструкция е ниската товароносимост на токоизправителя, както и фактът, че кондензаторът C2 е под два пъти стойността на напрежението. Следователно такава схема се използва в радиотехниката за удвояване на изправяне на сигнали с ниска мощност за амплитудни детектори, като измервателен елемент в схеми за автоматично управление на усилването и др.
В електротехниката и силовата електроника се използва друга версия на схемата за удвояване.
Удвоителят, сглобен по схемата на Latour, има голяма товароносимост. Всеки от кондензаторите е под входно напрежение, следователно по отношение на теглото и размера тази опция също превъзхожда предишната. По време на положителния полупериод кондензаторът C1 се зарежда, по време на отрицателния - C2. Кондензаторите са свързани последователно, а по отношение на товара - успоредно, така че напрежението върху товара е равно на сумата напрежение на заредените кондензатори. Честотата на пулсациите е равна на удвоената честота на мрежовото напрежение и стойността зависи от стойността на капацитета. Колкото по-големи са те, толкова по-малко пулсации. И тук е необходимо да се намери разумен компромис.
Недостатъкът на веригата е забраната за заземяване на една от клемите за натоварване - един от диодите или кондензаторите в този случай ще бъде окъсен.
Тази верига може да бъде каскадна произволен брой пъти. Така че, повтаряйки принципа на включване два пъти, можете да получите верига с четворно напрежение и т.н.
Първият кондензатор във веригата трябва да издържи напрежението на захранването, останалите - два пъти по-голямо от захранващото напрежение. Всички клапани трябва да бъдат оценени за двойно обратно напрежение. Разбира се, за надеждна работа на веригата всички параметри трябва да имат марж от най-малко 20%.
Ако няма подходящи диоди, те могат да бъдат свързани последователно - в този случай максималното допустимо напрежение ще се увеличи с коефициент 1. Но успоредно с всеки диод трябва да бъдат свързани изравнителни резистори. Това трябва да се направи, защото в противен случай, поради разпространението на параметрите на клапаните, обратното напрежение може да се разпредели неравномерно между диодите. Резултатът може да бъде превишението на най-голямата стойност за един от диодите. И ако всеки елемент от веригата се шунтира с резистор (стойността им трябва да е еднаква), тогава обратното напрежение ще бъде разпределено точно по същия начин. Съпротивлението на всеки резистор трябва да бъде около 10 пъти по-малко от обратното съпротивление на диода. В този случай ефектът на допълнителни елементи върху работата на веригата ще бъде сведен до минимум.
Едва ли е необходимо паралелно свързване на диоди в тази верига, токовете тук са малки. Но може да бъде полезно в други вериги на токоизправител, където товарът консумира сериозна мощност. Паралелното свързване умножава допустимия ток през клапана, но всичко разваля отклонението на параметрите. В резултат на това един диод може да поеме най-ток и да не го издържи. За да се избегне това, резистор се поставя последователно с всеки диод.
Стойността на съпротивлението е избрана така, че при максимален ток спадът на напрежението върху него да е 1 волт. Така че, при ток от 1 A, съпротивлението трябва да бъде 1 ома. Мощността в този случай трябва да бъде най-малко 1 ват.
На теория кратността на напрежението може да се увеличава за неопределено време. На практика трябва да се помни, че товароносимостта на такива токоизправители рязко спада с всеки допълнителен етап. В резултат на това можете да стигнете до ситуация, при която спадът на напрежението в товара надвишава коефициента на умножение и прави работата на токоизправителя безсмислена. Този недостатък е присъщ на всички подобни схеми.
Често такива умножители на напрежението се произвеждат като единичен модул с добра изолация. Подобни устройства са използвани например за създаване на високо напрежение в телевизори или осцилоскопи с електронно-лъчева тръба като монитор. Схемите за удвояване с помощта на дросели също са известни, но те не са получили разпространение - частите на намотката са трудни за производство и не са много надеждни при работа.
Има много токоизправителни вериги. Предвид широкия обхват на този възел е важно да се подходи съзнателно към избора на веригата и изчисляването на елементите. Само в този случай е гарантирана дълга и надеждна работа.
Подобни статии:
