L'energia elettrica viene convenientemente trasportata e convertita in grandezza sotto forma di tensione alternata. È in questa forma che viene consegnato al consumatore finale. Ma per alimentare molti dispositivi, è comunque necessaria una tensione costante.
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Perché abbiamo bisogno di un raddrizzatore in ingegneria elettrica
Il compito di convertire la tensione CA in CC è assegnato ai raddrizzatori. Questo dispositivo è ampiamente utilizzato e le principali aree di utilizzo dei dispositivi di rettifica in radio ed ingegneria elettrica sono:
- formazione di corrente continua per impianti elettrici di potenza (sottostazioni di trazione, impianti di elettrolisi, sistemi di eccitazione di generatori sincroni) e potenti motori in corrente continua;
- alimentatori per dispositivi elettronici;
- rilevamento di segnali radio modulati;
- formazione di una tensione costante proporzionale al livello del segnale di ingresso per la realizzazione di sistemi di controllo automatico del guadagno.
L'intero campo di applicazione dei raddrizzatori è ampio ed è impossibile elencarlo nell'ambito di una revisione.
Principi di funzionamento dei raddrizzatori
Il funzionamento dei dispositivi di rettifica si basa sulla proprietà della conduttività unilaterale degli elementi. Puoi farlo in diversi modi. Molti modi per le applicazioni industriali sono diventati un ricordo del passato, come l'uso di macchine meccaniche sincrone o dispositivi di elettrovuoto. Ora vengono utilizzate valvole che conducono la corrente in una direzione. Non molto tempo fa, i dispositivi al mercurio venivano utilizzati per i raddrizzatori ad alta potenza. Al momento, sono praticamente sostituiti da elementi semiconduttori (silicio).
Tipici circuiti raddrizzatori
Il dispositivo di rettifica può essere costruito secondo vari principi. Quando si analizzano i circuiti del dispositivo, è necessario ricordare che la tensione costante all'uscita di qualsiasi raddrizzatore può essere chiamata solo condizionatamente. Questo nodo produce una tensione unidirezionale pulsante, che nella maggior parte dei casi deve essere attenuata dai filtri. Alcuni consumatori richiedono anche la stabilizzazione della tensione rettificata.
Raddrizzatori monofase
Il più semplice raddrizzatore di tensione CA è un singolo diodo.
Passa le semionde positive della sinusoide al consumatore e "taglia" quelle negative.
La portata di un tale dispositivo è piccola - principalmente, raddrizzatori di alimentazione a commutazioneoperando a frequenze relativamente alte. Sebbene produca corrente che scorre in una direzione, presenta svantaggi significativi:
- alto livello di ondulazione: per levigare e ottenere corrente continua, avrai bisogno di un condensatore grande e ingombrante;
- uso incompleto della potenza del trasformatore step-down (o step-up), che porta ad un aumento degli indicatori di peso e dimensioni richiesti;
- l'EMF medio all'uscita è inferiore alla metà dell'EMF fornito;
- maggiori requisiti per il diodo (d'altra parte è necessaria una sola valvola).
Quindi più diffuso circuito a onda intera (ponte)..
Qui, la corrente scorre attraverso il carico due volte per periodo in una direzione:
- semionda positiva lungo il percorso indicato dalle frecce rosse;
- semionda negativa lungo il percorso indicato dalle frecce verdi.
L'onda negativa non scompare, ma viene anche utilizzata, quindi la potenza del trasformatore di ingresso viene utilizzata in modo più completo. L'EMF medio è il doppio di quello della versione a mezza onda. La forma della corrente di ripple è molto più vicina a una linea retta, ma è comunque necessario un condensatore di livellamento. La sua capacità e le sue dimensioni saranno inferiori rispetto al caso precedente, perché la frequenza di ripple è il doppio della frequenza della tensione di rete.
Se è presente un trasformatore con due avvolgimenti identici che possono essere collegati in serie o con un avvolgimento con presa dal centro, è possibile costruire un raddrizzatore a onda intera secondo uno schema diverso.
Questa opzione è in realtà un doppio circuito di un raddrizzatore a semionda, ma ha tutti i vantaggi di un raddrizzatore a onda intera. Lo svantaggio è la necessità di utilizzare un trasformatore di un design specifico.
Se il trasformatore è realizzato in condizioni amatoriali, non ci sono ostacoli all'avvolgimento dell'avvolgimento secondario come richiesto, ma dovrà essere utilizzato un ferro leggermente più grande. Ma invece di 4 diodi, ne vengono utilizzati solo 2. Ciò consentirà di compensare la perdita di peso e di indicatori di dimensioni e persino di vincere.
Se il raddrizzatore è progettato per correnti elevate e le valvole devono essere installate sui radiatori, l'installazione della metà del numero di diodi offre risparmi significativi. Va inoltre tenuto conto che un tale raddrizzatore ha una resistenza interna doppia rispetto a quella assemblata in un circuito a ponte, quindi anche il riscaldamento degli avvolgimenti del trasformatore e le relative perdite saranno maggiori.
Raddrizzatori trifase
Dal circuito precedente, è logico passare a un raddrizzatore di tensione trifase, assemblato secondo un principio simile.
La forma della tensione di uscita è molto più vicina a una linea retta, il livello di ondulazione è solo del 14% e la frequenza è pari a tre volte la frequenza della tensione di rete.
Eppure la sorgente di questo circuito è un raddrizzatore a semionda, quindi molte delle carenze non possono essere superate nemmeno con una sorgente di tensione trifase. Il principale è l'uso incompleto della potenza del trasformatore e l'EMF medio è 1,17⋅E2eff (valore effettivo dell'EMF dell'avvolgimento secondario del trasformatore).
I migliori parametri hanno un circuito a ponte trifase.
Qui, l'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita è la stessa del 14%, ma la frequenza è uguale alla frequenza esagonale della tensione CA in ingresso, quindi la capacità del condensatore del filtro sarà la più piccola di tutte le opzioni presentate. E l'EMF in uscita sarà il doppio rispetto al circuito precedente.
Questo raddrizzatore viene utilizzato con un trasformatore di uscita con un avvolgimento secondario a stella, ma lo stesso gruppo valvolare sarà molto meno efficiente se utilizzato insieme a un trasformatore la cui uscita è collegata a triangolo.
Qui l'ampiezza e la frequenza delle pulsazioni sono le stesse del circuito precedente. Ma l'EMF medio è inferiore rispetto allo schema precedente in tempi. Pertanto, questa inclusione è usata raramente.
Raddrizzatori moltiplicatori di tensione
È possibile realizzare un raddrizzatore la cui tensione di uscita sarà un multiplo della tensione di ingresso. Ad esempio, ci sono circuiti con raddoppio della tensione:
Qui, il condensatore C1 si carica durante il semiciclo negativo e viene commutato in serie con l'onda positiva dell'onda sinusoidale di ingresso. Lo svantaggio di questa costruzione è la bassa capacità di carico del raddrizzatore, nonché il fatto che il condensatore C2 è inferiore al doppio del valore di tensione. Pertanto, un tale circuito viene utilizzato nell'ingegneria radio per raddoppiare la rettifica di segnali a bassa potenza per rilevatori di ampiezza, come elemento di misura nei circuiti di controllo automatico del guadagno, ecc.
Nell'ingegneria elettrica e nell'elettronica di potenza viene utilizzata un'altra versione dello schema di raddoppio.
Il duplicatore, assemblato secondo lo schema Latour, ha una grande capacità di carico. Ciascuno dei condensatori è sotto tensione di ingresso, quindi, in termini di peso e dimensioni, questa opzione supera anche la precedente. Durante il semiciclo positivo, il condensatore C1 viene caricato, durante il negativo - C2. I condensatori sono collegati in serie e in relazione al carico - in parallelo, quindi la tensione attraverso il carico è uguale alla somma tensione dei condensatori carichi. La frequenza di ripple è pari al doppio della frequenza della tensione di rete e il valore dipende dal valore delle capacità. Più sono grandi, minore è l'ondulazione. E qui è necessario trovare un ragionevole compromesso.
Lo svantaggio del circuito è il divieto di mettere a terra uno dei terminali di carico: uno dei diodi o condensatori in questo caso sarà in cortocircuito.
Questo circuito può essere collegato in cascata un numero qualsiasi di volte. Quindi, ripetendo due volte il principio di inclusione, puoi ottenere un circuito con tensione quadrupla, ecc.
Il primo condensatore nel circuito deve resistere alla tensione dell'alimentatore, il resto - il doppio della tensione di alimentazione. Tutte le valvole devono essere classificate per doppia tensione inversa. Naturalmente, per un funzionamento affidabile del circuito, tutti i parametri devono avere un margine di almeno il 20%.
Se non ci sono diodi adatti, possono essere collegati in serie: in questo caso, la tensione massima consentita aumenterà di un fattore 1. Ma in parallelo con ciascun diodo, è necessario collegare resistori di equalizzazione. Questo deve essere fatto, perché altrimenti, a causa della diffusione dei parametri delle valvole, la tensione inversa potrebbe essere distribuita in modo non uniforme tra i diodi. Il risultato potrebbe essere l'eccesso del valore più grande per uno dei diodi. E se ogni elemento della catena viene deviato con un resistore (il loro valore deve essere lo stesso), la tensione inversa verrà distribuita esattamente allo stesso modo. La resistenza di ciascun resistore dovrebbe essere circa 10 volte inferiore alla resistenza inversa del diodo. In questo caso, l'effetto di elementi aggiuntivi sul funzionamento del circuito sarà ridotto al minimo.
È improbabile che sia necessario il collegamento in parallelo di diodi in questo circuito, le correnti qui sono piccole. Ma può essere utile in altri circuiti raddrizzatori in cui il carico consuma molta energia. La connessione parallela moltiplica la corrente consentita attraverso la valvola, ma tutto rovina la deviazione dei parametri. Di conseguenza, un diodo può assumere più corrente e non resistergli. Per evitare ciò, un resistore è posto in serie con ciascun diodo.
Il valore della resistenza viene scelto in modo che alla corrente massima la caduta di tensione ai suoi capi sia di 1 volt. Quindi, con una corrente di 1 A, la resistenza dovrebbe essere di 1 ohm. La potenza in questo caso dovrebbe essere di almeno 1 watt.
In teoria, la molteplicità della tensione può essere aumentata indefinitamente. In pratica, va ricordato che la capacità di carico di tali raddrizzatori diminuisce drasticamente ad ogni stadio aggiuntivo. Di conseguenza, si può arrivare a una situazione in cui la caduta di tensione attraverso il carico supera il fattore di moltiplicazione e rende il funzionamento del raddrizzatore privo di significato. Questo svantaggio è inerente a tutti questi schemi.
Spesso tali moltiplicatori di tensione vengono prodotti come un unico modulo con un buon isolamento. Dispositivi simili sono stati utilizzati, ad esempio, per creare alta tensione in televisori o oscilloscopi con un tubo a raggi catodici come monitor. Sono noti anche schemi di raddoppio che utilizzano induttanze, ma non hanno ricevuto distribuzione: le parti degli avvolgimenti sono difficili da produrre e non molto affidabili durante il funzionamento.
Ci sono molti circuiti raddrizzatori. Data l'ampia portata di questo nodo, è importante avvicinarsi consapevolmente alla scelta del circuito e al calcolo degli elementi. Solo in questo caso è garantito un funzionamento lungo e affidabile.
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