Elektrische Energie wird zweckmäßigerweise in Form von Wechselspannung transportiert und größenmäßig umgewandelt. In dieser Form wird es an den Endverbraucher geliefert. Aber um viele Geräte mit Strom zu versorgen, benötigen Sie immer noch eine konstante Spannung.
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Warum brauchen wir einen Gleichrichter in der Elektrotechnik?
Den Gleichrichtern kommt die Aufgabe zu, Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Dieses Gerät ist weit verbreitet, und die Haupteinsatzgebiete von Gleichrichtergeräten in der Funk- und Elektrotechnik sind:
- Gleichstrombildung für elektrische Starkstromanlagen (Umspannwerke, Elektrolyseanlagen, Erregersysteme von Synchrongeneratoren) und leistungsstarke Gleichstrommotoren;
- Netzteile für elektronische Geräte;
- Erkennung von modulierten Funksignalen;
- Bildung einer konstanten Spannung proportional zum Pegel des Eingangssignals zum Aufbau automatischer Verstärkungsregelungssysteme.
Der volle Umfang an Gleichrichtern ist umfangreich, und es ist unmöglich, ihn im Rahmen einer Überprüfung aufzulisten.
Funktionsprinzipien von Gleichrichtern
Der Betrieb von Gleichrichtergeräten basiert auf der Eigenschaft der einseitigen Leitfähigkeit von Elementen. Sie können dies auf verschiedene Arten tun. Viele Wege für industrielle Anwendungen gehören der Vergangenheit an, wie zum Beispiel der Einsatz von mechanischen Synchronmaschinen oder Elektrovakuumgeräten. Jetzt werden Ventile verwendet, die den Strom in eine Richtung leiten. Vor nicht allzu langer Zeit wurden Quecksilbergeräte für Hochleistungsgleichrichter verwendet. Derzeit werden sie praktisch von Halbleiterelementen (Silizium) abgelöst.
Typische Gleichrichterschaltungen
Die Gleichrichtereinrichtung kann nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein. Bei der Analyse von Geräteschaltungen ist zu beachten, dass die konstante Spannung am Ausgang eines beliebigen Gleichrichters nur bedingt aufgerufen werden kann. Dieser Knoten erzeugt eine pulsierende unidirektionale Spannung, die in den meisten Fällen durch Filter geglättet werden muss. Einige Verbraucher benötigen auch eine Stabilisierung der gleichgerichteten Spannung.
Einphasige Gleichrichter
Der einfachste Wechselspannungsgleichrichter ist eine einzelne Diode.
Er gibt die positiven Halbwellen der Sinuskurve an den Verbraucher weiter und „schneidet“ die negativen ab.
Der Anwendungsbereich eines solchen Geräts ist klein - hauptsächlich Schaltnetzteile GleichrichterBetrieb bei relativ hohen Frequenzen. Obwohl es Strom erzeugt, der in eine Richtung fließt, hat es erhebliche Nachteile:
- hohe Welligkeit - um Gleichstrom zu glätten und zu erhalten, benötigen Sie einen großen und sperrigen Kondensator;
- unvollständige Nutzung der Leistung des Abwärtstransformators (oder Aufwärtstransformators), was zu einer Erhöhung der erforderlichen Gewichts- und Größenindikatoren führt;
- die durchschnittliche EMK am Ausgang ist kleiner als die Hälfte der gelieferten EMK;
- erhöhte Anforderungen an die Diode (andererseits wird nur ein Ventil benötigt).
Daher weiter verbreitet Vollwellen-(Brücken-)Schaltung.
Dabei fließt der Strom zweimal pro Periode in eine Richtung durch die Last:
- positive Halbwelle entlang des durch rote Pfeile angezeigten Pfades;
- negative Halbwelle entlang des durch grüne Pfeile angezeigten Pfades.
Die negative Welle verschwindet nicht, sondern wird ebenfalls verwendet, sodass die Leistung des Eingangstransformators vollständiger genutzt wird. Die durchschnittliche EMF ist doppelt so hoch wie bei der Ein-Halbwellen-Version. Die Form des Welligkeitsstroms ist viel näher an einer geraden Linie, aber ein Glättungskondensator ist immer noch erforderlich. Seine Kapazität und Abmessungen sind kleiner als im vorherigen Fall, da die Welligkeitsfrequenz doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Netzspannung.
Gibt es einen Transformator mit zwei identischen Wicklungen, die in Reihe geschaltet werden können, oder mit einer Wicklung, die einen Mittelabgriff hat, kann ein Vollweggleichrichter nach einem anderen Schema gebaut werden.
Diese Option ist eigentlich eine Doppelschaltung eines Einweggleichrichters, hat aber alle Vorteile eines Vollweggleichrichters. Der Nachteil ist die Notwendigkeit, einen Transformator mit einem bestimmten Design zu verwenden.
Wenn der Transformator unter Amateurbedingungen hergestellt wird, gibt es keine Hindernisse für das Wickeln der Sekundärwicklung nach Bedarf, aber es muss ein etwas größeres Eisen verwendet werden. Anstelle von 4 Dioden werden jedoch nur 2 verwendet, um den Verlust an Gewichts- und Größenindikatoren auszugleichen und sogar zu gewinnen.
Wenn der Gleichrichter für hohen Strom ausgelegt ist und die Ventile an Heizkörpern installiert werden müssen, führt der Einbau der halben Anzahl von Dioden zu erheblichen Einsparungen. Zu berücksichtigen ist auch, dass ein solcher Gleichrichter im Vergleich zu einem in Brückenschaltung aufgebauten Gleichrichter den doppelten Innenwiderstand hat, wodurch auch die Erwärmung der Trafowicklungen und die damit verbundenen Verluste höher sind.
Dreiphasige Gleichrichter
Von der vorherigen Schaltung ist es logisch, zu einem dreiphasigen Spannungsgleichrichter überzugehen, der nach einem ähnlichen Prinzip aufgebaut ist.
Die Form der Ausgangsspannung ist viel näher an einer geraden Linie, die Restwelligkeit beträgt nur 14 % und die Frequenz ist gleich der dreifachen Frequenz der Netzspannung.
Und doch ist die Quelle dieser Schaltung ein Einweggleichrichter, so dass viele der Mängel auch mit einer dreiphasigen Spannungsquelle nicht überwunden werden können. Der Hauptgrund ist die unvollständige Nutzung der Transformatorleistung, und die durchschnittliche EMF beträgt 1,17⋅E2eff (Effektivwert der EMK der Sekundärwicklung des Transformators).
Die besten Parameter haben eine dreiphasige Brückenschaltung.
Hier beträgt die Amplitude der Welligkeit der Ausgangsspannung die gleichen 14 %, aber die Frequenz ist gleich der Hexagonalfrequenz der Eingangswechselspannung, sodass die Kapazität des Filterkondensators die kleinste aller angebotenen Optionen ist. Und die Ausgangs-EMK ist doppelt so hoch wie in der vorherigen Schaltung.
Dieser Gleichrichter wird mit einem Ausgangstransformator mit einer Sternsekundärwicklung verwendet, aber die gleiche Ventilanordnung wird viel weniger effizient sein, wenn sie in Verbindung mit einem Transformator verwendet wird, dessen Ausgang in Dreieck geschaltet ist.
Hier sind die Amplitude und Frequenz der Pulsationen die gleichen wie in der vorherigen Schaltung. Aber die durchschnittliche EMF ist zeitweise geringer als im vorherigen Schema. Daher wird diese Inklusion selten verwendet.
Spannungsvervielfacher-Gleichrichter
Es ist möglich, einen Gleichrichter zu bauen, dessen Ausgangsspannung ein Vielfaches der Eingangsspannung ist. Beispielsweise gibt es Schaltungen mit Spannungsverdopplung:
Hier lädt sich der Kondensator C1 während der negativen Halbwelle auf und wird in Reihe mit der positiven Welle der Eingangssinuswelle geschaltet. Nachteilig an dieser Konstruktion ist die geringe Belastbarkeit des Gleichrichters, sowie die Tatsache, dass der Kondensator C2 unter dem doppelten Spannungswert liegt. Daher wird eine solche Schaltung in der Funktechnik zur doppelten Gleichrichtung von Signalen mit geringer Leistung für Amplitudendetektoren, als Messelement in automatischen Verstärkungsregelschaltungen usw. verwendet.
In der Elektrotechnik und Leistungselektronik wird eine andere Version des Verdopplungsschemas verwendet.
Der nach dem Latour-Schema zusammengebaute Verdoppler hat eine große Tragfähigkeit. Jeder der Kondensatoren steht unter Eingangsspannung, daher übertrifft diese Option auch in Bezug auf Gewicht und Größe die vorherige. Während der positiven Halbwelle wird der Kondensator C1 geladen, während der negativen - C2. Kondensatoren sind in Reihe und in Bezug auf die Last parallel geschaltet, sodass die Spannung an der Last gleich der Summe ist Spannung geladener Kondensatoren. Die Welligkeitsfrequenz ist gleich der doppelten Frequenz der Netzspannung, und der Wert hängt davon ab aus dem Wert der Kapazitäten. Je größer sie sind, desto weniger Welligkeit. Und hier gilt es, einen vernünftigen Kompromiss zu finden.
Der Nachteil der Schaltung ist das Verbot, einen der Lastanschlüsse zu erden - eine der Dioden oder Kondensatoren wird in diesem Fall kurzgeschlossen.
Diese Schaltung kann beliebig oft kaskadiert werden. Wenn Sie also das Prinzip der Einbeziehung zweimal wiederholen, erhalten Sie eine Schaltung mit vierfacher Spannung usw.
Der erste Kondensator im Stromkreis muss der Spannung der Stromversorgung standhalten, der Rest - die doppelte Versorgungsspannung. Alle Ventile müssen für doppelte Sperrspannung ausgelegt sein. Natürlich müssen für einen zuverlässigen Betrieb der Schaltung alle Parameter einen Spielraum von mindestens 20 % haben.
Wenn keine geeigneten Dioden vorhanden sind, können sie in Reihe geschaltet werden - in diesem Fall erhöht sich die maximal zulässige Spannung um den Faktor 1. Parallel zu jeder Diode müssen jedoch Ausgleichswiderstände geschaltet werden. Dies muss erfolgen, da sonst aufgrund der Streuung der Parameter der Ventile die Sperrspannung ungleichmäßig auf die Dioden verteilt werden kann. Das Ergebnis kann die Überschreitung des größten Wertes für eine der Dioden sein. Und wenn jedes Element der Kette mit einem Widerstand überbrückt wird (ihr Wert muss gleich sein), wird die Sperrspannung genau gleich verteilt. Der Widerstand jedes Widerstands sollte etwa 10-mal kleiner sein als der Sperrwiderstand der Diode. In diesem Fall wird die Auswirkung zusätzlicher Elemente auf den Betrieb der Schaltung minimiert.
Es ist unwahrscheinlich, dass eine Parallelschaltung von Dioden in dieser Schaltung erforderlich ist, da die Ströme hier gering sind. Aber es kann in anderen Gleichrichterschaltungen nützlich sein, wo die Last viel Strom verbraucht. Die Parallelschaltung vervielfacht den zulässigen Strom durch das Ventil, aber alles verdirbt die Abweichung der Parameter. Dadurch kann eine Diode den meisten Strom aufnehmen und ihm nicht standhalten. Um dies zu vermeiden, wird mit jeder Diode ein Widerstand in Reihe geschaltet.
Der Widerstandswert ist so gewählt, dass bei maximalem Strom der Spannungsabfall darüber 1 Volt beträgt. Bei einem Strom von 1 A sollte der Widerstand also 1 Ohm betragen. Die Leistung sollte in diesem Fall mindestens 1 Watt betragen.
Theoretisch kann die Spannungsmultiplizität unbegrenzt erhöht werden. In der Praxis ist zu beachten, dass die Belastbarkeit solcher Gleichrichter mit jeder weiteren Stufe stark abfällt. Infolgedessen kann es vorkommen, dass der Spannungsabfall über der Last den Multiplikationsfaktor überschreitet und den Betrieb des Gleichrichters bedeutungslos macht. Dieser Nachteil ist allen derartigen Schemata eigen.
Oftmals werden solche Spannungsvervielfacher als Einzelmodul in guter Isolation hergestellt. Ähnliche Geräte wurden beispielsweise zur Erzeugung von Hochspannung in Fernsehern oder Oszilloskopen mit einer Kathodenstrahlröhre als Monitor verwendet. Es sind auch Verdopplungsschemata mit Drosseln bekannt, die jedoch keine Verbreitung gefunden haben - Wicklungsteile sind schwierig herzustellen und im Betrieb nicht sehr zuverlässig.
Es gibt viele Gleichrichterschaltungen. Angesichts des großen Umfangs dieses Knotens ist es wichtig, bewusst an die Wahl der Schaltung und die Berechnung der Elemente heranzugehen. Nur so ist ein langer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet.
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