Likriktare - Rectifier

En likriktardiod ( kiselstyrd likriktare ) och tillhörande monteringsutrustning. Den tunga gängade regeln fäster enheten till en kylfläns för att avleda värme.

En likriktare är en elektrisk anordning som omvandlar växelström (AC), som periodiskt vänder riktning, till likström (DC), som bara flyter i en riktning. Omvänd drift utförs av växelriktaren .

Processen är känd som rättelse , eftersom den "räcker ut" strömriktningen. Fysiskt har likriktare ett antal former, inklusive vakuumrörsdioder , våta kemiska celler, kvicksilverbågsventiler , staplar av koppar- och selenoxidplattor , halvledardioder , kiselstyrda likriktare och andra kiselbaserade halvledaromkopplare. Historiskt sett har även synkrona elektromekaniska omkopplare och motorgeneratorsatser använts. Tidiga radiomottagare, kallade kristallradioer , använde en " kattvisp " av fin tråd som pressade på en kristall av galena (blysulfid) för att fungera som en punktkontaktlikriktare eller "kristaldetektor".

Likriktare har många användningsområden, men finns ofta tjänar som komponenter i DC nätaggregat och likströmshögspänningskraftöverföringssystem. Rättelse kan fungera i andra roller än att generera likström för användning som energikälla. Såsom noterats, detektorer av radiosignaler tjänar som likriktare. I gasuppvärmningssystem används flamriktning för att detektera närvaron av en låga.

Beroende på typ av växelströmsmatning och likriktarkretsens arrangemang kan utspänningen kräva ytterligare utjämning för att ge en jämn jämn spänning. Många tillämpningar av likriktare, såsom strömförsörjningar för radio, tv och datorutrustning, kräver en konstant konstant likspänning (som skulle produceras av ett batteri ). I dessa applikationer utjämnas likriktarens utmatning med ett elektroniskt filter , som kan vara en kondensator , drossel eller uppsättning kondensatorer, drosslar och motstånd , eventuellt följt av en spänningsregulator för att producera en konstant spänning.

Mer komplex krets som utför den motsatta funktionen, som konverterar DC till AC, kallas en inverter .

Likriktare

Innan utvecklingen av kiselhalvledar likriktare, sugrör termojoniska dioder och koppar oxid- eller selenbaserade metalllikriktarstaplar användes. Med introduktionen av halvledarelektronik blev vakuumrörlikriktare föråldrade, förutom några entusiaster av ljudutrustning för vakuumrör . För effektriktning från mycket låg till mycket hög ström används halvledardioder av olika typer ( kopplingsdioder , Schottky -dioder , etc.) i stor utsträckning.

Andra anordningar som har styrelektroder och fungerar som enriktade strömventiler används där mer än enkel rättelse krävs - t.ex. där variabel utspänning behövs. Högeffektslikriktare, såsom de som används vid högspännings likströmstransmission , använder halvledaranordningar av olika typer av kisel. Dessa är tyristorer eller andra kontrollerade switchande halvledaromkopplare, som effektivt fungerar som dioder för att passera ström i endast en riktning.

Likriktarkretsar

Likriktarkretsar kan vara enfasiga eller flerfasiga. De flesta lågeffektlikriktare för hushållsutrustning är enfasiga, men trefasriktning är mycket viktig för industriella tillämpningar och för överföring av energi som likström (HVDC).

Enfaslikriktare

Halvvågsriktning

Vid halvvågsriktning av enfasförsörjning passeras antingen den positiva eller negativa halvan av växelströmmen, medan den andra halvan blockeras. Eftersom endast hälften av ingångsvågformen når utgången är medelspänningen lägre. Halvvågsriktning kräver en enstaka diod i enfasförsörjning , eller tre i en trefasmatning . Likriktare ger en enriktad men pulserande likström; halvvågslikriktare ger mycket mer krusning än helvågslikriktare, och mycket mer filtrering behövs för att eliminera övertoner av växelströmsfrekvensen från utgången.

Halvvågslikriktare

DC-spänningen utan last för en idealisk halvvågslikriktare för en sinusformad ingångsspänning är:

var:

V dc , V av - DC eller genomsnittlig utspänning,
V -topp , toppvärdet för fasingångsspänningarna,
V rms , rotmedelvärdet (RMS) för utspänningen.

Helvågsriktning

Helvågslikriktare, med vakuumrör med två anoder.

En helvågslikriktare omvandlar hela ingångsvågformen till en med konstant polaritet (positiv eller negativ) vid dess utgång. Matematiskt motsvarar detta funktionen för absolut värde . Helvågsriktning omvandlar båda polariteterna i ingångsvågformen till pulserande likström (likström) och ger en högre genomsnittlig utspänning. Två dioder och en centertappad transformator , eller fyra dioder i en bryggkonfiguration och alla växelströmskällor (inklusive en transformator utan mittkran) behövs. Enkelhalvledardioder, dubbla dioder med en gemensam katod eller gemensam anod, och fyra- eller sex- diodbryggor tillverkas som enstaka komponenter.

Graetz bridge-likriktare: en helvågslikriktare med fyra dioder.

För enfas växelström, om transformatorn är centrerad, kan två dioder back-to-back (katod-till-katod eller anod-till-anod, beroende på vilken utgångspolaritet som krävs) bilda en helvågslikriktare. Dubbel så många varv krävs på transformatorn sekundär för att få samma utspänning än för en brygglikriktare, men effektvärdet är oförändrat.

Helvågslikriktare med en mittkranstransformator och 2 dioder.

De genomsnittliga och RMS-obelastade utspänningarna för en idealisk enfas helvågslikriktare är:

Mycket vanliga vakuumrör med två diodlikriktare innehöll en enda gemensam katod och två anoder inuti ett enda kuvert, vilket uppnådde helvågsriktning med positiv effekt. 5U4 och 80/5Y3 (4 pin)/(octal) var populära exempel på denna konfiguration.

Trefaslikriktare

Enfaslikriktare används vanligtvis för strömförsörjning för hushållsutrustning. Men för de flesta industriella och hög-effekttillämpningar, trefas likriktarkretsar är normen. Precis som med enfaslikriktare kan trefaslikriktare ha formen av en halvvågskrets, en helvågskrets med hjälp av en centertappad transformator eller en helvågsbrygga.

Tyristorer används vanligtvis i stället för dioder för att skapa en krets som kan reglera utspänningen. Många enheter som ger likström genererar faktiskt trefas AC. Exempelvis en bil generator innehåller sex dioder, som fungerar som en helvågslikriktare för batteriladdning.

Trefas, halvvågig krets

Kontrollerad trefas halvvågslikriktarkrets med tyristorer som omkopplingselement, ignorerar matningsinduktansen

En okontrollerad trefas, halvvågig mittpunktskrets kräver tre dioder, en ansluten till varje fas. Detta är den enklaste typen av trefaslikriktare men lider av relativt hög harmonisk distorsion på både AC- och DC-anslutningarna. Denna typ av likriktare sägs ha ett pulstal på tre, eftersom utspänningen på likströmssidan innehåller tre distinkta pulser per cykel av nätfrekvensen:

Likspänningsprofil för M3 trefas halvvågslikriktare.jpg

Toppvärdena av denna tre-puls likspänningen beräknas från RMS-värdet för ingångs fasspänningen (linje till neutral spänning, 120 V i Nordamerika, 230 V inom Europa vid nätdrift): . Den genomsnittliga obelastade utspänningen är resultatet av integralen under grafen för en positiv halvvåg med periodens varaktighet på (från 30 ° till 150 °):

⇒ ⇒ ≈ 1,17 ⋅

Trefas, helvågskrets med centertappad transformator

Kontrollerad trefas helvågslikriktarkrets med tyristorer som omkopplingselement, med en mittknappad transformator, som ignorerar matningsinduktansen

Om AC -matningen matas via en transformator med mittkran kan en likriktarkrets med förbättrad harmonisk prestanda erhållas. Denna likriktare kräver nu sex dioder, en ansluten till varje ände av varje transformator sekundärlindning. Denna krets har ett pulstal på sex och kan i själva verket ses som en sexfas, halvvågig krets.

Innan halvledaranordningar blev tillgängliga, det halv-vågen krets, och full-våg krets med hjälp av en med mittuttag transformator, mycket ofta användes i industriella likriktare med användning av kvicksilver-båg ventiler . Detta berodde på att de tre eller sex AC -ingångarna kunde matas till ett motsvarande antal anodelektroder på en enda tank och dela en gemensam katod.

Med tillkomsten av dioder och tyristorer har dessa kretsar blivit mindre populära och trefasbryggkretsen har blivit den vanligaste kretsen.

Trefasig brygglikriktare okontrollerad

Demonteras bil generatorn , som visar de sex dioder som utgör en full-våg trefasig brygglikriktare.

För en okontrollerad trefas brygglikriktare används sex dioder, och kretsen har åter ett pulstal på sex. Av denna anledning kallas det också vanligtvis som en sexpulsbro. B6-kretsen kan ses förenklad som en seriekoppling av två trepulscenterkretsar.

För applikationer med låg effekt tillverkas dubbla dioder i serie, med anoden på den första dioden ansluten till katoden i den andra, som en enda komponent för detta ändamål. Vissa kommersiellt tillgängliga dubbla dioder har alla fyra terminaler tillgängliga så att användaren kan konfigurera dem för enfasad delad matning, halvbrygga eller trefaslikriktare.

För applikationer med högre effekt används vanligtvis en enda diskret enhet för var och en av de sex armarna på bron. För de allra högsta krafterna kan varje arm på bron bestå av tiotals eller hundratals separata enheter parallellt (där det behövs mycket hög ström, till exempel vid aluminiumsmältning ) eller i serier (där mycket höga spänningar behövs, till exempel i högspännings likströmstransmission ).

Kontrollerad trefas helvågsbrytarlikriktarkrets (B6C) med tyristorer som omkopplingselement, ignorerar matningsinduktansen. Tyristorerna pulserar i ordning V1 – V6.

Den pulserande likspänningen är resultatet av skillnaderna i de momentana positiva och negativa fasspänningarna , fasskiftade med 30 °:

Likspänningsprofil för B6 trefas helvågslikriktare.jpg

Den ideala, utan belastning genomsnittliga utspänningen för B6-kretsen är resultatet av integralen under grafen för en likspänningspuls med periodens varaktighet (från 60 ° till 120 °) med toppvärdet :

⇒ ⇒ ≈ 2,34 ⋅
3-fas AC-ingång, halvvågs och helvågsriktad likströmsutgångsvågform

Om trefasbrygglikriktaren drivs symmetriskt (som positiv och negativ matningsspänning), är likriktarens mittpunkt på utgångssidan (eller den så kallade isolerade referenspotentialen) mittemot transformatorns mittpunkt (eller neutralläget ledare) har en potentialskillnad i form av en trekantig gemensam spänning . Av denna anledning får dessa två centra aldrig vara anslutna till varandra, annars skulle kortslutningsströmmar flöda. Den jord av den trefasiga brygglikriktare i symmetrisk drift är sålunda frikopplat från den neutrala ledaren eller jorden för nätspänningen. Drivs av en transformator, är jordning av bryggans mittpunkt möjlig, förutsatt att transformatorns sekundära lindning är elektriskt isolerad från nätspänningen och stjärnpunkten för den sekundära lindningen inte är på jorden. I detta fall rinner dock (försumbara) läckströmmar över transformatorlindningarna.

Common-mode spänningen bildas av de respektive medelvärdena för skillnaderna mellan de positiva och negativa fasspänningarna, som bildar den pulserande likspänningen. Toppvärdet för deltaspänningen uppgår till ¼ av toppvärdet för fasingångsspänningen och beräknas med minus hälften av likspänningen vid 60 ° av perioden:

= · 0,25

RMS-värdet för common-mode-spänningen beräknas från formfaktorn för triangulära svängningar:

Om kretsen drivs asymmetriskt (som en enkel matningsspänning med bara en positiv pol) pulserar både de positiva och negativa polerna (eller den isolerade referenspotentialen) mittemot ingångsspänningens mitt (eller marken) analogt med den positiva och negativa vågformer av fasspänningarna. Skillnaderna i fasspänningarna resulterar emellertid i sexpuls DC-spänningen (under en period). Den strikta separationen av transformatorns centrum från den negativa polen (annars kommer kortslutningsströmmar att flöda) eller en eventuell jordning av den negativa polen när den drivs av en isoleringstransformator gäller motsvarande den symmetriska operationen.

Trefasig brygglikriktare styrd

Den kontrollerade trefasbrygglikriktaren använder tyristorer istället för dioder. Utgångsspänningen reduceras med faktorn cos (α):

Eller uttryckt i form av linje till linje ingångsspänning:

Var:

V LLpeak , toppvärdet för linje till linje ingångsspänningar,
V -topp , toppvärdet för fas (linje till neutralt) ingångsspänningar,
α, tyristorns tändvinkel (0 om dioder används för att utföra rättelse)

Ovannämnda ekvationer är endast giltiga när ingen ström dras från AC -matningen eller i det teoretiska fallet när AC -matningsanslutningarna inte har någon induktans. I praktiken orsakar matningsinduktansen en minskning av DC -utspänningen med ökande belastning, vanligtvis i intervallet 10–20% vid full belastning.

Effekten av försörjningsinduktans är att bromsa överföringsprocessen (kallad kommutation) från en fas till nästa. Som ett resultat av detta är det vid varje övergång mellan ett par enheter, det finns en överlappningsperiod under vilken tre (snarare än två) enheter i bron leder samtidigt. Överlappningsvinkeln kallas vanligtvis med symbolen μ (eller u) och kan vara 20 30 ° vid full belastning.

Med hänsyn tagen till matningsinduktansen reduceras likriktarens utspänning till:

Överlappningsvinkeln μ är direkt relaterad till likströmmen och ekvationen ovan kan uttryckas på nytt som:

Var:

L c , den kommuterande induktansen per fas
I d , likströmmen
Trefasig Graetz-brygglikriktare vid alfa = 0 ° utan överlappning
Trefas Graetz-brygglikriktare vid alfa = 0 ° med överlappningsvinkel på 20 °
Trefasstyrd Graetz-brygglikriktare vid alfa = 20 ° med överlappningsvinkel på 20 °
Trefasstyrd Graetz-brygglikriktare vid alfa = 40 ° med överlappningsvinkel på 20 °

Tolvpulsbro

Tolv pulsbrygglikriktare som använder tyristorer som omkopplingselement. En sexpulsbrygga består av de jämna tyristorerna, den andra är den udda numrerade uppsättningen.

Även om de är bättre än enfaslikriktare eller trefas halvvågslikriktare, producerar sexpulslikriktarkretsar fortfarande betydande harmonisk distorsion på både AC- och DC-anslutningarna. För likriktare med mycket hög effekt används vanligtvis tolvpulsbryggan. En tolvpulsbro består av två sexpulsiga bryggkretsar som är seriekopplade, och deras AC-anslutningar matas från en matningstransformator som ger ett 30 ° fasskift mellan de två broarna. Detta avbryter många av de karakteristiska övertoner som sexpulsbroarna producerar.

30-graders fasförskjutning uppnås vanligtvis genom att använda en transformator med två uppsättningar sekundära lindningar, en i stjärna (wye) -anslutning och en i delta-anslutning.

Spänningsförökande likriktare

Växlingsbar dubbelbro/spänningsdubblare.

Den enkla halvvågslikriktaren kan byggas i två elektriska konfigurationer med dioderna pekande i motsatta riktningar, en version kopplar utgångens negativa terminal direkt till AC-matningen och den andra ansluter utgångens positiva terminal direkt till AC-matningen . Genom att kombinera båda dessa med separat utjämning är det möjligt att få en utspänning på nästan dubbelt så hög AC -ingångsspänning. Detta ger också en kran i mitten, vilket möjliggör användning av en sådan krets som en delad spårströmförsörjning.

En variant av detta är att använda två kondensatorer i serie för att utjämna utgången på en brygglikriktare och sedan placera en omkopplare mellan kondensatorernas mittpunkt och en av AC -ingångarna. Med omkopplaren öppen fungerar denna krets som en vanlig brygglikriktare. Med omkopplaren stängd fungerar den som en spänningsfördubblande likriktare. Med andra ord gör detta det enkelt att härleda en spänning på ungefär 320 V (± 15%, ungefär) DC från alla 120 V eller 230 V nätaggregat i världen, detta kan sedan matas in i ett relativt enkelt omkopplingsläge strömförsörjning . För en given önskad krusning måste dock värdet på båda kondensatorerna vara dubbelt så mycket som det som krävs för en normal brygglikriktare; när omkopplaren är stängd måste var och en filtrera utgången från en halvvågslikriktare, och när omkopplaren är öppen är de två kondensatorerna seriekopplade med ett ekvivalent värde av halva en av dem.

Cockcroft Walton spänningsmultiplikator

Kaskaddiod- och kondensatorsteg kan läggas till för att skapa en spänningsmultiplikator ( Cockroft-Walton-krets ). Dessa kretsar kan producera en DC -utspänningspotential upp till cirka tio gånger högsta AC -ingångsspänningen, i praktiken begränsad av strömkapacitet och spänningsregleringsproblem. Diodspänningsmultiplikatorer, som ofta används som ett efterföljande boost -steg eller primär högspänningskälla (HV), används i HV -lasernätaggregat, drivanordningar som katodstrålerör (CRT) (som de som används i CRT -baserad tv, radar och sonar) bildskärmar), fotonförstärkande enheter som finns i bildförstärkande och fotomultiplikatorrör (PMT) och magnetronbaserade radiofrekvensanordningar (RF) som används i radarsändare och mikrovågsugnar. Före introduktionen av halvledarelektronik använde transformatorlösa vakuumrörsmottagare som drivs direkt från växelström ibland spänningsdubblare för att generera ungefär 300 VDC från en 100–120 V kraftledning.

Kvantifiering av likriktare

Flera förhållanden används för att kvantifiera funktion och prestanda för likriktare eller deras utmatning, inklusive transformatoranvändningsfaktor (TUF), konverteringsförhållande ( η ), krusningsfaktor, formfaktor och toppfaktor. De två primära måtten är likspänning (eller offset) och topp-topp-krusningsspänning, som är ingående komponenter i utspänningen.

Konverteringsförhållande

Omvandlingsförhållande (även kallat "rättningsförhållande", och förvirrande nog "effektivitet") η definieras som förhållandet mellan DC -uteffekt och ingångseffekten från växelströmsförsörjningen. Även med ideala likriktare är förhållandet mindre än 100% eftersom en del av uteffekten är växelström snarare än likströms som manifesterar sig som krusning överlagrad på likströmsvågformen. Förhållandet kan förbättras med hjälp av utjämningskretsar som minskar krusningen och därmed minskar AC -innehållet i utgången. Omvandlingsförhållandet reduceras med förluster i transformatorlindningar och effektförlust i själva likriktarelementet. Detta förhållande har liten praktisk betydelse eftersom en likriktare nästan alltid följs av ett filter för att öka likspänningen och minska krusningen. I vissa trefas- och flerfasapplikationer är konverteringsförhållandet tillräckligt högt för att utjämningskretsar är onödiga. I andra kretsar, som filamentvärmare kretsar i vakuumrörselektronik där belastningen är nästan helt resistiv, kan utjämningskretsar utelämnas eftersom motstånden släpper ut både växelström och likström, så ingen ström går förlorad.

För en halvvågslikriktare är förhållandet mycket blygsamt.

(delarna är 2 snarare än 2 eftersom ingen ström levereras på den negativa halvcykeln)

Således är det maximala konverteringsförhållandet för en halvvågslikriktare,

På samma sätt för en helvågslikriktare,

Trefaslikriktare, särskilt trefas helvågslikriktare, har mycket större omvandlingsförhållanden eftersom krusningen är i själva verket mindre.

För en trefas halvvågslikriktare,

För en trefas helvågslikriktare,

Transformatorns användningsförhållande

Transformatorns utnyttjandefaktor (TUF) för en likriktarkrets definieras som förhållandet mellan den likströmseffekt som finns vid ingångsmotståndet och växelströmsklassningen för en transformators utgångsspole.

Den bedömning av transformatorn kan definieras som:

Likriktarens spänningsfall

En riktig likriktare tappar karakteristiskt en del av ingångsspänningen (ett spänningsfall för kiselanordningar på typiskt 0,7 volt plus ett ekvivalent motstånd, i allmänhet icke-linjärt)-och vid höga frekvenser förvränger vågformer på andra sätt. Till skillnad från en ideal likriktare, tappar den lite kraft.

En aspekt av mest rättelse är en förlust från toppinspänningen till topputgångsspänningen, orsakad av det inbyggda spänningsfallet över dioderna (cirka 0,7 V för vanliga kisel- p-n-övergångsdioder och 0,3 V för Schottky-dioder ). Halvvågslikriktning och helvågsriktning med hjälp av en mittknappad sekundär ger en toppspänningsförlust på ett diodfall. Bridge -korrigering har en förlust av två dioddroppar. Detta minskar utspänningen och begränsar den tillgängliga utspänningen om en mycket låg växelspänning måste rättas till. Eftersom dioderna inte leder under denna spänning, passerar kretsen bara strömmen under en del av varje halvcykel, vilket orsakar korta segment av nollspänning (där momentan ingångsspänning är under ett eller två diodfall) att visas mellan varje "puckel ".

Toppförlust är mycket viktig för lågspänningslikriktare (till exempel 12 V eller mindre) men är obetydlig i högspänningsapplikationer som HVDC-kraftöverföringssystem.

Harmonisk distorsion

Icke-linjära belastningar som likriktare producerar strömharmoniker för källfrekvensen på AC-sidan och spänningsharmoniker för källfrekvensen på DC-sidan, på grund av kopplingsbeteende.

Utjämning av likriktare

AC-ingången (gul) och DC-utgången (grön) för en halvvågslikriktare med utjämningskondensator. Notera krusningen i likströmssignalen.

Medan halvvågs- ​​och helvågslikriktning levererar enriktad ström, producerar ingen av dem en konstant spänning. Det finns en stor AC- rippel spänningskomponent vid källan frekvens för en halv-våg likriktare, och två gånger käll frekvens för en helvågslikriktare. Krusningsspänning anges vanligtvis topp-till-topp. För att producera stadig DC från en likriktad AC -strömförsörjning krävs en utjämningskrets eller filter . I sin enklaste form kan detta bara vara en kondensator (även kallad filter, reservoar eller utjämningskondensator), choke, motstånd, zenerdiod och motstånd eller spänningsregulator placerad vid likriktarens utgång. I praktiken använder de flesta utjämningsfilter flera komponenter för att effektivt minska krusningsspänningen till en nivå som kretsen kan tolerera.

Helvågsdiodbrygglikriktare med parallellt RC-shuntfilter

Filterkondensatorn släpper ut sin lagrade energi under den del av växelströmscykeln när växelströmskällan inte levererar någon ström, det vill säga när växelströmskällan ändrar sin strömningsriktning.

Prestanda med låg impedanskälla

Reservoircapidealised.gif

Diagrammet ovan visar reservoarprestanda från en nära nollimpedanskälla , till exempel en nätaggregat. När likriktarens spänning ökar laddar den kondensatorn och levererar också ström till lasten. Vid slutet av kvartscykeln laddas kondensatorn till sitt toppvärde Vp för likriktarspänningen. Efter detta börjar likriktarspänningen minska till sitt minimivärde Vmin när den går in i nästa kvartscykel. Detta initierar urladdning av kondensatorn genom lasten.

Storleken på kondensatorn C bestäms av mängden krusning r som kan tolereras, där r = (Vp-Vmin)/Vp.

Dessa kretsar matas mycket ofta från transformatorer och har betydande motstånd . Transformatormotstånd modifierar behållarens kondensatorvågform, ändrar toppspänningen och introducerar regleringsproblem.

Kondensator ingångsfilter

För en given belastning är storleken på en utjämningskondensator en avvägning mellan att minska krusningsspänningen och att öka krusningsströmmen. Toppströmmen bestäms av matningsspänningens stigningshastighet på den inkommande sinusvågens stigande kant, reducerad av transformatorlindningarnas motstånd. Höga krusningsströmmar ökar förlusterna I 2 R (i form av värme) i kondensatorns, likriktarens och transformatorlindningarna och kan överstiga komponenternas ampacitet eller VA -märkning för transformatorn. Vakuumrörslikriktare anger ingångskondensatorns maximala kapacitans, och SS -diodlikriktare har också strömbegränsningar. Kondensatorer för denna applikation behöver låg ESR , annars kan krusningsström överhettas. För att begränsa krusningsspänningen till ett visst värde är den erforderliga kondensatorstorleken proportionell mot belastningsströmmen och omvänt proportionell mot matningsfrekvensen och antalet utgångstoppar för likriktaren per ingångscykel. Helvågsriktad utmatning kräver en mindre kondensator eftersom den är dubbelt så hög som halvvågsriktad utmatning. Att reducera krusningen till en tillfredsställande gräns med bara en enda kondensator skulle ofta kräva en kondensator av opraktisk storlek. Detta beror på att kondensatorns krusningsspänning inte ökar linjärt med storleken och det kan också finnas höjdbegränsningar. För högströmstillämpningar används istället kondensatorbanker.

Choke ingångsfilter

Det är också möjligt att sätta in den korrigerade vågformen i ett choke-ingångsfilter . Fördelen med denna krets är att strömvågformen är jämnare: ström dras över hela cykeln, istället för att dras i pulser vid topparna för växelspänning varje halvcykel som i ett kondensatorinmatningsfilter. Nackdelen är att spänningsutmatningen är mycket lägre-genomsnittet för en AC-halvcykel snarare än toppen; detta är cirka 90% av RMS -spänningen kontra gånger RMS -spänningen (oladdad) för ett kondensatorinmatningsfilter. Uppväger detta är överlägsen spänningsreglering och högre tillgänglig ström, vilket minskar toppspänning och krusningskrav på strömförsörjningskomponenter. Induktorer kräver kärnor av järn eller andra magnetiska material och lägger till vikt och storlek. Deras användning i strömförsörjningar för elektronisk utrustning har därför minskat till förmån för halvledarkretsar som spänningsregulatorer.

Motstånd som ingångsfilter

I fall där krusningsspänning är obetydlig, som batteriladdare, kan ingångsfiltret vara ett motstånd i en serie för att justera utspänningen till den som kretsen kräver. Ett motstånd minskar både utspänning och krusningsspänning proportionellt. En nackdel med ett motståndsinmatningsfilter är att det förbrukar kraft i form av spillvärme som inte är tillgänglig för lasten, så det används endast i lågströmskretsar.

Högre order och kaskadfilter

För att ytterligare minska krusningen kan det initiala filterelementet följas av ytterligare alternerande serie- och shuntfilterkomponenter eller av en spänningsregulator. Seriefilterkomponenter kan vara motstånd eller drosslar; shuntelement kan vara motstånd eller kondensatorer. Filtret kan höja likspänningen och minska krusningen. Filter är ofta konstruerade av par av serie/shuntkomponenter som kallas RC (seriemotstånd, shuntkondensator) eller LC (seriedrossel, shuntkondensator) sektioner. Två vanliga filtergeometrier är kända som Pi (kondensator, choke, kondensator) och T (choke, kondensator, choke) filter. Ibland är serieelementen motstånd - eftersom motstånd är mindre och billigare - när en lägre likströmseffekt är önskvärd eller tillåten. En annan typ av speciell filtergeometri är ett serieresonerande drossel eller avstämt drosselfilter. Till skillnad från de andra filtergeometrier som är lågpassfilter, är ett resonansdämpningsfilter ett bandstoppfilter: det är en parallell kombination av drossel och kondensator som ger resonans vid frekvensen av krusningsspänningen och har en mycket hög impedans för krusningen . Det kan följas av en shuntkondensator för att slutföra filtret.

Spänningsregulatorer

Ett mer vanligt alternativ till ytterligare filterkomponenter, om DC -belastningen kräver mycket låg krusningsspänning, är att följa ingångsfiltret med en spänningsregulator. En spänningsregulator fungerar på en annan princip än ett filter, som i huvudsak är en spänningsdelare som shuntar spänning vid krusningsfrekvensen bort från lasten. Snarare ökar eller minskar en regulator strömmen som matas till lasten för att bibehålla en konstant utspänning.

En enkel passiv shuntspänningsregulator kan bestå av ett seriemotstånd för att sänka källspänningen till önskad nivå och en Zener -diodshunt med omvänd spänning lika med den inställda spänningen. När ingångsspänningen stiger, tömmer dioden ström för att bibehålla den inställda utspänningen. Denna typ av regulator används vanligtvis endast i lågspänning, lågströmskretsar eftersom Zener -dioder har både spännings- och strömbegränsningar. Det är också mycket ineffektivt, eftersom det tömmer överflödig ström, som inte är tillgänglig för lasten.

Ett mer effektivt alternativ till en shuntspänningsregulator är en aktiv spänningsregulatorkrets . En aktiv regulator använder reaktiva komponenter för att lagra och tömma energi, så att den mesta eller all ström som levereras av likriktaren överförs till lasten. Den kan också använda negativ och positiv feedback i samband med minst en spänningsförstärkande komponent som en transistor för att bibehålla utspänningen när källspänningen sjunker. Ingångsfiltret måste förhindra att krusningarna i krusningen sjunker under den lägsta spänning som krävs av regulatorn för att producera den nödvändiga utspänningen. Regulatorn tjänar både för att avsevärt minska krusningen och för att hantera variationer i tillförsel och lastegenskaper.

Ansökningar

Den primära tillämpningen av likriktare är att härleda likström från en växelström (AC till DC -omvandlare). Likriktare används inuti nätaggregaten för praktiskt taget all elektronisk utrustning. AC/DC-nätaggregat kan grovt delas in i linjära nätaggregat och strömförsörjningar i switchat läge . I sådana strömförsörjningar kommer likriktaren att vara i serie efter transformatorn och följas av ett utjämningsfilter och eventuellt en spänningsregulator.

Att konvertera likström från en spänning till en annan är mycket mer komplicerat. En metod för DC-till-DC-konvertering omvandlar först ström till AC (med hjälp av en enhet som kallas en inverter ), använder sedan en transformator för att ändra spänningen och rättar slutligen strömmen tillbaka till DC. En frekvens på vanligtvis flera tiotals kilohertz används, eftersom detta kräver mycket mindre induktans än vid lägre frekvenser och hindrar användningen av tunga, skrymmande och dyra järnkärniga enheter. En annan metod för att konvertera likspänningar använder en laddningspump , som använder snabbväxling för att ändra anslutningarna av kondensatorer; denna teknik är i allmänhet begränsad till leveranser upp till ett par watt, på grund av storleken på kondensatorer som krävs.

Utgångsspänning för en helvågslikriktare med styrda tyristorer

Likriktare används också för detektering av amplitudmodulerade radiosignaler. Signalen kan förstärkas före detektering. Om inte, måste en mycket låg spänningsfalldiod eller en diod förspänd med en fast spänning användas. Vid användning av en likriktare för demodulering måste kondensatorn och belastningsmotståndet matchas noggrant: för låg kapacitans gör att högfrekvensbäraren passerar till utgången, och för hög gör att kondensatorn bara laddas och förblir laddad.

Likriktare levererar polariserad spänning för svetsning . I sådana kretsar krävs styrning av utströmmen; detta uppnås ibland genom att ersätta några av dioderna i en brygglikriktare med tyristorer , effektivt dioder vars spänningsutgång kan regleras genom att slå på och av med faseldade styrenheter .

Tyristorer används i olika klasser av järnvägssystem för rullande materiel så att fin kontroll av dragmotorerna kan uppnås. Gate-avstängningstyristorer används för att producera växelström från en likström, till exempel på Eurostar-tågen för att driva trefas-dragmotorerna.

Rättelse teknik

Elektromekanisk

Före ungefär 1905 när likriktare av rörtyp utvecklades, var kraftomvandlingsanordningar rent elektromekaniska. Mekaniska likriktare använde någon form av rotation eller resonansvibrationer som drivs av elektromagneter, som manövrerade en omkopplare eller kommutator för att vända strömmen.

Dessa mekaniska likriktare var bullriga och hade höga underhållskrav. De rörliga delarna hade friktion, vilket krävde smörjning och utbyte på grund av slitage. Att öppna mekaniska kontakter under belastning resulterade i elektriska bågar och gnistor som värmde och eroderade kontakterna. De kunde inte heller hantera AC -frekvenser över flera tusen cykler per sekund.

Synkron likriktare

För att omvandla växelström till likström i elektriska lok kan en synkron likriktare användas. Den består av en synkron motor som driver en uppsättning kraftfulla elektriska kontakter. Motorn snurrar i tid med AC-frekvensen och vänder periodiskt förbindelserna till lasten omedelbart när den sinusformade strömmen går genom en nollkorsning. Kontakterna behöver inte koppla om en stor ström, men de måste kunna bära en stor ström för att försörja lokets DC -dragmotorer .

Vibrerande likriktare

En vibratorbatteriladdare från 1922. Den producerade 6 A DC vid 6 V för att ladda bilbatterier.

Dessa bestod av en resonans vass , vibreras av ett alternerande magnetiskt fält som skapas av en AC elektromagnet , med kontakter som omvända riktningen på strömmen på den negativa halvcykler. De användes i enheter med låg effekt, till exempel batteriladdare , för att rätta till den lågspänning som produceras av en trapptransformator. En annan användning var batteriet för bärbara vakuumrörsradioer, för att tillhandahålla den höga likspänningen för rören. Dessa fungerade som en mekanisk version av moderna halvledaromkopplare , med en transformator för att öka batterispänningen, och en uppsättning vibratorkontakter på transformatorkärnan, som drivs av dess magnetfält, för att upprepade gånger bryta likströmsbatteriet för att skapa en pulserande AC för att driva transformatorn. Sedan korrigerade en andra uppsättning likriktarkontaktervibratorn den höga växelspänningen från transformatorn sekundär till likström.

Motorgeneratorsats

En liten motorgeneratoruppsättning

En motorgeneratoruppsättning , eller liknande roterande omvandlare , är inte strikt likriktare eftersom den faktiskt inte rättar till ström, utan snarare genererar likström från en växelströmskälla. I ett "MG set" är axeln hos en AC-motor är mekaniskt kopplad till den hos en likströmsgenerator . Likströmsgeneratorn producerar flerfas växelströmmar i sina ankarlindningar , som en kommutator på ankaraxeln omvandlar till en likströmseffekt; eller en homopolär generator producerar en likström utan behov av en kommutator. MG-uppsättningar är användbara för att producera likström för järnvägsmotorer, industrimotorer och andra högströmstillämpningar och var vanliga i många högeffekts DC-användningsområden (till exempel kolbågslampor för utomhusbiografer) innan halvledare med hög effekt blev till allmänt tillgängliga.

Elektrolytisk

Den elektrolytiska likriktaren var en enhet från början av nittonhundratalet som inte längre används. En hemgjord version illustreras i boken The Boy Mechanic från 1913 men den skulle vara lämplig för användning endast vid mycket låga spänningar på grund av den låga nedbrytningsspänningen och risken för elchock . En mer komplex anordning av detta slag patenterades av GW Carpenter 1928 (US patent 1671970).

När två olika metaller suspenderas i en elektrolytlösning ser likström som flyter ena vägen genom lösningen mindre motstånd än i den andra riktningen. Elektrolytiska likriktare används oftast en aluminiumanod och en bly- eller stålkatod, suspenderad i en lösning av triammoniumortofosfat.

Åtgärden beror på en tunn beläggning av aluminiumhydroxid på aluminiumelektroden, som bildas genom att först applicera en stark ström på cellen för att bygga upp beläggningen. Åtgärdsprocessen är temperaturkänslig och bör för bästa effektivitet inte fungera över 30 ° C (86 ° F). Det finns också en nedbrytningsspänning där beläggningen penetreras och cellen kortsluts. Elektrokemiska metoder är ofta mer ömtåliga än mekaniska metoder och kan vara känsliga för användningsvariationer, vilket drastiskt kan förändra eller helt störa korrigeringsprocesserna.

Liknande elektrolytiska anordningar användes som blixtavledare runt samma tid genom att hänga många aluminiumkottar i en tank med triammoniumortofosfatlösning. Till skillnad från likriktaren ovan, användes endast aluminiumelektroder och användes på AC, det fanns ingen polarisering och därmed ingen likriktarverkan, men kemin var liknande.

Den moderna elektrolytkondensatorn , en väsentlig komponent i de flesta likriktarkretskonfigurationer, utvecklades också från den elektrolytiska likriktaren.

Plasmatyp

Utvecklingen av vakuumrörsteknologi i början av 1900-talet resulterade i uppfinningen av olika likriktare av rörtyp, som till stor del ersatte de bullriga, ineffektiva mekaniska likriktarna.

Kvicksilverbåge

Tidigt 3-fas industriellt kvicksilverångriktningsrör
150 kV kvicksilverbåge ventil vid Manitoba Hydro kraftstation, Radisson, Kanada omvandlas AC vattenkraft till DC för sändning till avlägsna städer.

En likriktare som används i högspännings likström (HVDC) kraftöverföringssystem och industriell bearbetning mellan cirka 1909 till 1975 är en kvicksilverbågslikriktare eller kvicksilverbågsventil . Enheten är innesluten i ett glödlampskärl eller ett stort metallkar. En elektrod, katoden , är nedsänkt i en pool av flytande kvicksilver i botten av kärlet och en eller flera grafitelektroder med hög renhet, kallade anoder , hänger över poolen. Det kan finnas flera hjälpelektroder som hjälper till att starta och underhålla ljusbågen. När en elektrisk båge upprättas mellan katodbassängen och upphängda anoder, strömmar en ström av elektroner från katoden till anoderna genom det joniserade kvicksilvret, men inte åt andra hållet (i princip är detta en motpart med högre effekt till flamriktning , som använder samma envägsströmöverföringsegenskaper för plasman som naturligt finns i en låga).

Dessa enheter kan användas vid effektnivåer på hundratals kilowatt och kan byggas för att hantera en till sex faser av växelström. Kvicksilverbågslikriktare har ersatts av halvledarlikriktare av kisel och tyristorkretsar med hög effekt i mitten av 1970-talet. De mest kraftfulla kvicksilverbågslikriktarna som någonsin byggts installerades i Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC-projektet, med en sammanlagd effekt på mer än 1 GW och 450 kV.

Argongas elektronrör

Tungarlökar från 1917, 2 ampere (vänster) och 6 ampere

Den General Electric Tungar likriktare var en kvicksilverånga (ex.:5B24) eller argon (ex.:328) gasfyllt elektronröret anordning med en volframglödtråd katod och en knapp kolanod. Den fungerade på samma sätt som den termjoniska vakuumrörsdioden, men gasen i röret joniserade under framåtriktad ledning, vilket gav den ett mycket lägre spänningsfall framåt så att den kunde rätta till lägre spänningar. Den användes för batteriladdare och liknande applikationer från 1920-talet fram till billigare metalllikriktare och senare halvledardioder ersatte den. Dessa var upp till några hundra volt och några ampere, och liknade i vissa storlekar starkt en glödlampa med en extra elektrod.

0Z4 var ett gasfylld likriktarrör som vanligtvis användes i bilradioer med vakuumrör under 1940- och 1950-talen. Det var ett konventionellt helvågslikriktarrör med två anoder och en katod, men var unikt genom att det inte hade någon filament (alltså "0" i sitt typnummer). Elektroderna formades så att den omvända nedbrytningsspänningen var mycket högre än den nedåtriktade nedbrytningsspänningen. När nedbrytningsspänningen överskridits växlade 0Z4 till ett lågmotståndstillstånd med ett framspänningsfall på cirka 24 V.

Diodvakuumrör (ventil)

Vakuumrörsdioder

Den termojonisk vakuumröret diod , ursprungligen kallades Fleming ventilen , uppfanns av John Ambrose Fleming i 1904 som en detektor för radiovågor i radiomottagare, och utvecklats till en allmän likriktare. Den bestod av en evakuerad glaskolv med en glödtråd värms upp av en separat ström, och en metallplatta anod . Glödtråden avger elektroner genom termjonisk emission (Edison -effekten), upptäckt av Thomas Edison 1884, och en positiv spänning på plattan orsakade en ström av elektroner genom röret från filament till platta. Eftersom endast filamentet producerade elektroner skulle röret bara leda ström i en riktning, så att röret kunde rätta till en växelström.

Termioniska diodlikriktare användes i stor utsträckning i nätaggregat i elektroniska konsumentprodukter i vakuumrör, såsom fonografer, radioapparater och tv -apparater, till exempel All American Five -radiomottagaren, för att ge den höga DC -plattspänning som behövs av andra vakuumrör. "Full-wave" -versioner med två separata plattor var populära eftersom de kunde användas med en mittknappad transformator för att göra en helvågslikriktare. Vakuumrörslikriktare gjordes för mycket höga spänningar, till exempel högspänningsförsörjningen för katodstråleröret för tv- mottagare och kenotronen som används för strömförsörjning i röntgenutrustning . Jämfört med moderna halvledardioder har vakuumrörlikriktare dock högt internt motstånd på grund av rymdladdning och därför höga spänningsfall, vilket orsakar hög effektförlust och låg effektivitet. De kan sällan hantera strömmar som överstiger 250 mA på grund av gränserna för plattaeffektavledning och kan inte användas för lågspänningsapplikationer, till exempel batteriladdare. En annan begränsning av vakuumrörslikriktaren är att värmarens strömförsörjning ofta kräver speciella arrangemang för att isolera den från likspänningskretsens höga spänningar.

Fast tillstånd

Kristaldetektor

Galena cat's whisker detector

Kristaldetektorn var den tidigaste typen av halvledardiod. Uppfunnet av Jagadish Chandra Bose och utvecklat av GW Pickard från och med 1902, var det en betydande förbättring jämfört med tidigare detektorer som coherer. Kristaldetektorn användes i stor utsträckning innan vakuumrör blev tillgängliga. En populär typ av kristaldetektor, ofta kallad en katthårdetektor , består av en kristall av något halvledande mineral , vanligtvis galena (blysulfid), med en lätt fjädrande tråd som rör vid dess yta. Dess bräcklighet och begränsade strömförmåga gjorde den olämplig för strömförsörjningsapplikationer. På 1930 -talet miniatyriserade och förbättrade forskare kristaldetektorn för användning vid mikrovågsfrekvenser.

Selen och kopparoxidlikriktare

Selenlikriktare

När de var vanliga tills de ersattes av mer kompakta och mindre kostsamma likriktare av kiseldelar på 1970-talet använde dessa enheter staplar av oxidbelagda metallplattor och utnyttjade halvledaregenskaperna hos selen eller kopparoxid. Medan selenlikriktare var lättare och använde mindre effekt än jämförbara vakuumrörlikriktare, hade de nackdelen med begränsad livslängd, ökande motstånd med åldern och var endast lämpliga att använda vid låga frekvenser. Både selen- och kopparoxidlikriktare har något bättre tolerans mot momentana spänningstransienter än kisellikriktare.

Typiskt består dessa likriktare av staplar av metallplattor eller brickor, som hålls samman av en central bult, med antalet staplar bestämda av spänning; varje cell fick ett värde på cirka 20 V. En bilbatteriladdare likriktare kan bara ha en cell: högspänningskällan för ett vakuumrör kan ha dussintals staplade plattor. Strömtätheten i en luftkyld selenbunt var cirka 600 mA per kvadrattum aktiv yta (cirka 90 mA per kvadratcentimeter).

Kisel- och germaniumdioder

En mängd olika kiseldioder med olika strömvärden. Till vänster är en brygglikriktare . På de 3 mittdioderna identifierar ett målat band katodterminalen

Kiseldioder är de mest använda likriktarna för lägre spänningar och effekter och har i stort sett ersatt andra likriktare. På grund av deras väsentligt lägre framspänning (0,3V kontra 0,7V för kiseldioder) har germaniumdioder en inneboende fördel jämfört med kiseldioder i lågspänningskretsar.

Hög effekt: tyristorer (SCR) och nyare kiselbaserade spänningsomvandlare

Två av tre kraftfulla tyristorventilstackar som används för överföring av kraft från Manitoba Hydro- dammar. Jämför med kvicksilverbågssystem från samma damplats ovan.

I applikationer med hög effekt, från 1975 till 2000, ersattes de flesta kvicksilverventilbåglikriktare med staplar med mycket kraftfulla tyristorer , kiselanordningar med två extra lager halvledare, i jämförelse med en enkel diod.

I applikationer med medeleffektöverföring har ännu mer komplexa och sofistikerade spänningsomvandlare (VSC) kiselhalvledarlikriktarsystem, såsom isolerade grindbipolära transistorer (IGBT) och grindavstängningstyristorer (GTO) , gjort mindre högspännings likströmstransmission system ekonomiska. Alla dessa enheter fungerar som likriktare.

Från och med 2009 förväntades att dessa "självkommuterande switchar" med hög effekt kisel, särskilt IGBT och en variant tyristor (relaterad till GTO) som kallas integrerad gate-commutated tyristor (IGCT), skulle skalas upp i effekt betyg till den grad att de så småningom skulle ersätta enkla tyristorbaserade växelriktningssystem för de högsta DC-applikationerna för kraftöverföring.

Aktiv likriktare

Spänningsfall över en diod och en MOSFET. Den låga motståndsegenskapen hos en MOSFET minskar ohmiska förluster jämfört med diodlikriktaren (under 32 A i detta fall), vilket uppvisar ett betydande spänningsfall även vid mycket låga strömnivåer. Parallell med två MOSFET (rosa kurva) minskar förlusterna ytterligare, medan parallellisering av flera dioder inte kommer att minska framspänningsfallet avsevärt.

Aktiv likriktning är en teknik för att förbättra effektiviteten av rättelse genom att byta ut dioder mot aktivt styrda omkopplare som transistorer , vanligtvis ström MOSFET eller effekt BJT . Medan normala halvledardioder har ett grovt fast spänningsfall på cirka 0,5-1 volt, fungerar aktiva likriktare som motstånd och kan ha godtyckligt lågt spänningsfall.

Historiskt sett har vibratordrivna omkopplare eller motordrivna kommutatorer också använts för mekaniska likriktare och synkron rättelse.

Aktiv rättelse har många tillämpningar. Det används ofta för matriser av solcellspaneler för att undvika omvänd strömflöde som kan orsaka överhettning med delvis skuggning samtidigt som det ger minimal effektförlust.

Nuvarande forskning

Ett stort forskningsområde är att utveckla högfrekventa likriktare, som kan rättas till terahertz och ljusfrekvenser. Dessa enheter används för optisk heterodyndetektering , som har otaliga tillämpningar inom optisk fiberkommunikation och atomur . En annan potentiell applikation för sådana enheter är att direkt rätta till ljusvågor som tas upp av små antenner , kallade nantenner , för att producera likström. Man tror att matriser med antenner kan vara ett mer effektivt sätt att producera solenergi än solceller .

Ett relaterat forskningsområde är att utveckla mindre likriktare, eftersom en mindre enhet har en högre avstängningsfrekvens. Forskningsprojekt försöker utveckla en enmolekylär likriktare , en enda organisk molekyl som skulle fungera som en likriktare.

Se även

Referenser