Prostownik - Rectifier

Dioda prostownicza ( prostownik sterowany krzemem ) i powiązany osprzęt montażowy. Gruby gwintowany kołek mocuje urządzenie do radiatora, aby rozproszyć ciepło.

Prostownik jest urządzeniem elektrycznym, które przekształca prąd przemienny (AC), która okresowo zmienia kierunek i prądu stałego (DC), który płynie tylko w jednym kierunku. Odwrotna operacja jest wykonywana przez falownik .

Proces ten nazywany jest rektyfikacją , ponieważ „wyprostowuje” kierunek prądu. Fizycznie prostowniki przybierają różne formy, w tym diody lampowe , mokre ogniwa chemiczne, zawory rtęciowe , stosy płytek z tlenku miedzi i selenu , diody półprzewodnikowe , prostowniki sterowane krzemem i inne przełączniki półprzewodnikowe na bazie krzemu. Historycznie stosowano nawet synchroniczne przełączniki elektromechaniczne i zespoły silnik-generator . Wczesne odbiorniki radiowe, zwane radiami kryształkowymi , wykorzystywały „ koci wąs ” z cienkiego drutu dociskającego kryształ galeny (siarczek ołowiu), który służył jako prostownik punktowy lub „wykrywacz kryształów”.

Prostowniki mają wiele zastosowań, ale często służą jako komponenty zasilaczy prądu stałego i wysokonapięciowych systemów przesyłowych prądu stałego . Prostowanie może pełnić inne role niż generowanie prądu stałego do wykorzystania jako źródło zasilania. Jak już wspomniano, detektory z radiowych sygnałów służyć jako prostowników. W systemach ogrzewania gazowego rektyfikacja płomienia służy do wykrywania obecności płomienia.

W zależności od rodzaju zasilania prądem przemiennym i rozmieszczenia obwodu prostownika napięcie wyjściowe może wymagać dodatkowego wygładzenia w celu wytworzenia równomiernego napięcia ustalonego. Wiele zastosowań prostowników, takich jak zasilacze sprzętu radiowego, telewizyjnego i komputerowego, wymaga stałego stałego napięcia prądu stałego (tak jak w przypadku baterii ). W tych zastosowaniach wyjście prostownika jest wygładzane przez filtr elektroniczny , którym może być kondensator , dławik lub zestaw kondensatorów, dławików i rezystorów , po którym ewentualnie następuje regulator napięcia w celu wytworzenia stałego napięcia.

Bardziej złożony układ, który wykonuje odwrotną funkcję, czyli przekształcanie prądu stałego na prąd przemienny, nazywa się falownikiem .

Urządzenia prostownicze

Przed opracowaniem krzemowych prostowników półprzewodnikowych stosowano lampowe diody termoelektryczne oraz stosy prostowników metalowych na bazie tlenku miedzi lub selenu . Wraz z wprowadzeniem elektroniki półprzewodnikowej prostowniki lampowe stały się przestarzałe, z wyjątkiem niektórych entuzjastów lampowego sprzętu audio . Do prostowania mocy od bardzo niskiego do bardzo wysokiego prądu szeroko stosowane są diody półprzewodnikowe różnych typów ( diody złączowe , diody Schottky'ego itp.).

Inne urządzenia, które mają elektrody sterujące, a także działają jako jednokierunkowe zawory prądowe, są stosowane tam, gdzie wymagane jest coś więcej niż proste prostowanie — np. tam, gdzie potrzebne jest zmienne napięcie wyjściowe. Prostowniki dużej mocy, takie jak te stosowane w przesyle prądu stałego wysokiego napięcia , wykorzystują różnego rodzaju elementy półprzewodnikowe krzemowe. Są to tyrystory lub inne sterowane przełączające przełączniki półprzewodnikowe, które skutecznie działają jako diody przepuszczające prąd tylko w jednym kierunku.

Obwody prostownikowe

Obwody prostownikowe mogą być jednofazowe lub wielofazowe. Większość prostowników małej mocy do urządzeń domowych jest jednofazowych, ale prostownictwo trójfazowe jest bardzo ważne w zastosowaniach przemysłowych i przy przesyłaniu energii jako DC (HVDC).

Prostowniki jednofazowe

Prostowanie półfalowe

W prostowaniu półfalowym zasilania jednofazowego przepuszczana jest dodatnia lub ujemna połowa fali AC, podczas gdy druga połowa jest blokowana. Ponieważ tylko połowa przebiegu wejściowego dociera do wyjścia, średnie napięcie jest niższe. Prostowanie półfalowe wymaga jednej diody przy zasilaniu jednofazowym lub trzech przy zasilaniu trójfazowym . Prostowniki wytwarzają jednokierunkowy, ale pulsujący prąd stały; prostowniki półfalowe wytwarzają znacznie więcej tętnień niż prostowniki pełnookresowe i potrzeba znacznie więcej filtrowania, aby wyeliminować z wyjścia harmoniczne częstotliwości prądu przemiennego.

Prostownik półfalowy

Napięcie wyjściowe prądu stałego bez obciążenia idealnego prostownika półfalowego dla sinusoidalnego napięcia wejściowego wynosi:

gdzie:

V dc , V av – napięcie wyjściowe DC lub średnie,
V peak , szczytowa wartość fazowych napięć wejściowych,
V rms , średnia kwadratowa (RMS) wartości napięcia wyjściowego.

Prostowanie pełnookresowe

Prostownik pełnookresowy z lampą próżniową z dwiema anodami.

Prostownik pełnookresowy przekształca cały kształt fali wejściowej na sygnał o stałej polaryzacji (dodatniej lub ujemnej) na swoim wyjściu. Matematycznie odpowiada to funkcji wartości bezwzględnej . Prostowanie pełnookresowe przekształca obie polaryzacje przebiegu wejściowego w pulsujący prąd stały (prąd stały) i zapewnia wyższe średnie napięcie wyjściowe. Potrzebne są dwie diody i transformator z odczepem środkowym lub cztery diody w konfiguracji mostka i dowolne źródło prądu przemiennego (w tym transformator bez odczepu środkowego). Pojedyncze diody półprzewodnikowe, podwójne diody ze wspólną katodą lub wspólną anodą oraz cztero- lub sześciodiodowe mostki produkowane są jako pojedyncze elementy.

Prostownik mostkowy Graetza: prostownik pełnookresowy wykorzystujący cztery diody.

W przypadku jednofazowego prądu przemiennego, jeśli transformator jest z odczepem środkowym, dwie diody zwrócone do siebie (katoda do katody lub anoda do anody, w zależności od wymaganej polaryzacji wyjściowej) mogą tworzyć prostownik pełnookresowy. Wymagane jest dwa razy więcej zwojów na wtórnym transformatorze, aby uzyskać to samo napięcie wyjściowe niż w przypadku prostownika mostkowego, ale moc znamionowa pozostaje niezmieniona.

Prostownik pełnookresowy wykorzystujący transformator odczepu centralnego i 2 diody.

Średnia i RMS napięć wyjściowych jałowych idealnego jednofazowego pełny prostownik są:

Bardzo popularne dwudiodowe prostownikowe lampy próżniowe zawierały pojedynczą wspólną katodę i dwie anody w jednej obudowie, osiągając prostowanie pełnookresowe z dodatnim wyjściem. Popularnymi przykładami tej konfiguracji były 5U4 i 80/5Y3 (4 piny)/(ósemkowe).

Prostowniki trójfazowe

Prostowniki jednofazowe są powszechnie stosowane w zasilaczach urządzeń domowych. Jednak w przypadku większości zastosowań przemysłowych i dużej mocy trójfazowe obwody prostownikowe są normą. Podobnie jak w przypadku prostowników jednofazowych, prostowniki trójfazowe mogą mieć postać obwodu półfalowego, obwodu pełnookresowego wykorzystującego transformator z odczepem środkowym lub obwodu mostkowego pełnookresowego.

Tyrystory są powszechnie używane zamiast diod do tworzenia obwodu, który może regulować napięcie wyjściowe. Wiele urządzeń dostarczających prąd stały w rzeczywistości wytwarza trójfazowy prąd przemienny. Na przykład alternator samochodowy zawiera sześć diod, które działają jako prostownik pełnookresowy do ładowania akumulatora.

Obwód trójfazowy, półfalowy

Sterowany trójfazowy układ prostownika półfalowego wykorzystujący tyrystory jako elementy przełączające, ignorując indukcyjność zasilania

Niekontrolowany trójfazowy obwód półfalowy wymaga trzech diod, po jednej podłączonej do każdej fazy. Jest to najprostszy typ prostownika trójfazowego, ale ma stosunkowo wysokie zniekształcenia harmoniczne zarówno na połączeniach AC, jak i DC. Mówi się, że ten typ prostownika ma liczbę impulsów równą trzy, ponieważ napięcie wyjściowe po stronie DC zawiera trzy różne impulsy na cykl częstotliwości sieci:

Profil napięcia DC trójfazowego prostownika półfalowego M3.jpg

Wartości szczytowe tego trójpulsowego napięcia stałego są obliczane z wartości skutecznej napięcia fazowego wejściowego (napięcie międzyprzewodowe, 120 V w Ameryce Północnej, 230 V w Europie przy zasilaniu sieciowym): . Średnie napięcie wyjściowe bez obciążenia wynika z całki pod wykresem dodatniej półfali o czasie trwania (od 30° do 150°):

⇒ ⇒ ≈ 1,17 ⋅

Trójfazowy, pełnofalowy obwód wykorzystujący transformator z odczepem centralnym

Sterowany trójfazowy obwód prostownika pełnookresowego wykorzystujący tyrystory jako elementy przełączające, z transformatorem z odczepem centralnym, ignorując indukcyjność zasilania

Jeśli zasilanie prądem zmiennym jest zasilane przez transformator z odczepem środkowym, można uzyskać obwód prostownika o ulepszonej wydajności harmonicznych. Ten prostownik wymaga teraz sześciu diod, po jednej podłączonej do każdego końca każdego uzwojenia wtórnego transformatora. Obwód ten ma sześć impulsów iw efekcie może być traktowany jako sześciofazowy obwód półfalowy.

Przed półprzewodnikowe urządzenia stały się dostępne, obwód półfali, a obwód pełnozakresowa pomocą transformatora centralnie wykorzystać, są bardzo często stosowane w prostowników przemysłowych wykorzystujących Zawory rtęci łuku . Wynikało to z faktu, że trzy lub sześć wejść zasilania prądem przemiennym można było zasilać odpowiednią liczbą elektrod anodowych na jednym zbiorniku, dzieląc wspólną katodę.

Wraz z pojawieniem się diod i tyrystorów obwody te stały się mniej popularne, a trójfazowy obwód mostkowy stał się najpopularniejszym obwodem.

Mostek prostowniczy trójfazowy niekontrolowany

Zdemontowany alternator samochodowy , pokazujący sześć diod, które składają się na pełnookresowy trójfazowy prostownik mostkowy.

W przypadku niekontrolowanego trójfazowego prostownika mostkowego stosuje się sześć diod, a obwód ponownie ma sześć impulsów. Z tego powodu jest również powszechnie określany jako most sześciopulsowy. Obwód B6 można postrzegać w uproszczeniu jako szeregowe połączenie dwóch trójpulsowych obwodów centralnych.

Do zastosowań o małej mocy, podwójne diody połączone szeregowo, z anodą pierwszej diody połączonej z katodą drugiej, produkowane są w tym celu jako pojedynczy element. Niektóre dostępne na rynku podwójne diody mają dostępne wszystkie cztery zaciski, dzięki czemu użytkownik może je skonfigurować do użytku z jednofazowym rozdzielonym zasilaniem, półmostkiem lub prostownikiem trójfazowym.

W przypadku zastosowań o większej mocy, dla każdego z sześciu ramion mostu zwykle używane jest pojedyncze urządzenie. Dla najwyższych mocy każde ramię mostka może składać się z dziesiątek lub setek oddzielnych urządzeń połączonych równolegle (gdzie potrzebny jest bardzo duży prąd, np. przy wytopie aluminium ) lub szeregowo (gdzie potrzebne są bardzo wysokie napięcia, np. w przesył prądu stałego wysokiego napięcia ).

Sterowany trójfazowy pełnookresowy obwód prostowniczy mostkowy (B6C) wykorzystujący tyrystory jako elementy przełączające, ignorując indukcyjność zasilania. Tyrystory pulsują w kolejności V1–V6.

Pulsujące napięcie prądu stałego wynika z różnic chwilowych dodatnich i ujemnych napięć fazowych przesuniętych w fazie o 30°:

Profil napięcia stałego trójfazowego prostownika pełnookresowego B6.jpg

Idealne, bez obciążenia średnie napięcie wyjściowe obwodu B6 wynika z całki pod wykresem impulsu napięcia stałego o czasie trwania (od 60° do 120°) o wartości szczytowej :

⇒ ⇒ ≈ 2,34 ⋅
3-fazowe wejście AC, półfalowe i pełnofalowe prostowane przebiegi wyjściowe DC

Jeżeli trójfazowy prostownik mostkowy pracuje symetrycznie (jako dodatnie i ujemne napięcie zasilania), punkt środkowy prostownika po stronie wyjściowej (lub tzw. izolowany potencjał odniesienia) przeciwległy do ​​punktu środkowego transformatora (lub przewodu neutralnego). przewodnik) ma różnicę potencjałów w postaci trójkątnego napięcia wspólnego . Z tego powodu te dwa centra nigdy nie mogą być ze sobą połączone, w przeciwnym razie płyną prądy zwarciowe. W ten sposób uziemienie trójfazowego prostownika mostkowego przy pracy symetrycznej jest odseparowane od przewodu neutralnego lub uziemienia napięcia sieciowego. Zasilany transformatorem, uziemienie punktu środkowego mostka jest możliwe pod warunkiem, że uzwojenie wtórne transformatora jest elektrycznie odizolowane od napięcia sieciowego, a punkt gwiazdowy uzwojenia wtórnego nie znajduje się na ziemi. W tym przypadku jednak przez uzwojenia transformatora płyną (nieistotne) prądy upływu.

Napięcie wspólne powstaje z odpowiednich średnich wartości różnic między dodatnimi i ujemnymi napięciami fazowymi, które tworzą pulsujące napięcie stałe. Wartość szczytowa napięcia delta wynosi ¼ wartości szczytowej napięcia wejściowego fazy i jest obliczana z ujemną połową napięcia stałego przy 60° okresu:

= · 0,25

Wartość skuteczna napięcia wspólnego jest obliczana ze współczynnika kształtu dla oscylacji trójkątnych:

Jeśli obwód pracuje asymetrycznie (jako proste napięcie zasilania z tylko jednym biegunem dodatnim), to zarówno biegun dodatni, jak i ujemny (lub izolowany potencjał odniesienia) pulsują naprzeciw środka (lub masy) napięcia wejściowego analogicznie do dodatniego i ujemne przebiegi napięć fazowych. Jednak różnice napięć fazowych skutkują sześciopulsowym napięciem stałym (w okresie). Do pracy symetrycznej stosuje się odpowiednio ścisłe oddzielenie środka transformatora od bieguna ujemnego (w przeciwnym razie popłyną prądy zwarciowe) lub ewentualne uziemienie bieguna ujemnego przy zasilaniu z transformatora izolującego.

Mostek prostowniczy trójfazowy sterowany

Sterowany trójfazowy prostownik mostkowy wykorzystuje tyrystory zamiast diod. Napięcie wyjściowe jest redukowane o współczynnik cos(α):

Lub, wyrażony jako napięcie wejściowe linia-linia:

Gdzie:

V LLpeak , szczytowa wartość napięć wejściowych z linii do linii,
V peak , szczytowa wartość napięć wejściowych fazy (linia do przewodu neutralnego),
α, kąt zapłonu tyrystora (0, jeśli do prostowania używane są diody)

Powyższe równania są ważne tylko wtedy, gdy z zasilania AC nie jest pobierany prąd lub w przypadku teoretycznym, gdy połączenia zasilania AC nie mają indukcyjności. W praktyce indukcyjność zasilania powoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego DC wraz ze wzrostem obciążenia, zwykle w zakresie 10–20% przy pełnym obciążeniu.

Efektem indukcyjności zasilania jest spowolnienie procesu przenoszenia (tzw. komutacji) z jednej fazy do drugiej. W wyniku tego przy każdym przejściu między parą urządzeń występuje okres nakładania się, podczas którego trzy (a nie dwa) urządzenia w moście przewodzą jednocześnie. Kąt nakładania się jest zwykle określany symbolem μ (lub u) i może wynosić 20 30° przy pełnym obciążeniu.

Uwzględniając indukcyjność zasilania, napięcie wyjściowe prostownika zmniejsza się do:

Kąt nakładania μ jest bezpośrednio związany z prądem stałym, a powyższe równanie można wyrazić jako:

Gdzie:

L c , indukcyjność komutacyjna na fazę
I d , prąd stały
Trójfazowy prostownik mostkowy Graetza przy alfa=0° bez nakładania
Trójfazowy prostownik mostkowy Graetza przy alfa=0° i kącie zakładki 20°
Sterowany trójfazowy mostek prostowniczy Graetza przy alfa=20° z kątem nakładania się 20°
Sterowany trójfazowy mostek prostowniczy Graetza przy alfa=40° z kątem nakładania się 20°

Most dwunastopulsowy

Dwunastopulsowy prostownik mostkowy wykorzystujący tyrystory jako elementy przełączające. Jeden mostek sześciopulsowy składa się z tyrystorów o numerach parzystych, drugi to zestaw o numerach nieparzystych.

Chociaż są lepsze niż prostowniki jednofazowe lub trójfazowe prostowniki półfalowe, obwody prostowników sześciopulsowych nadal wytwarzają znaczne zniekształcenia harmoniczne zarówno na połączeniach AC, jak i DC. W przypadku prostowników bardzo dużej mocy zwykle stosuje się połączenie mostkowe dwunastopulsowe. Dwunastopulsowy mostek składa się z dwóch sześciopulsowych obwodów mostkowych połączonych szeregowo, których połączenia AC są zasilane z transformatora zasilającego, który wytwarza przesunięcie fazowe o 30° między dwoma mostkami. To anuluje wiele charakterystycznych harmonicznych wytwarzanych przez mostki sześciopulsowe.

Przesunięcie fazowe o 30 stopni uzyskuje się zwykle za pomocą transformatora z dwoma zestawami uzwojeń wtórnych, jednym w połączeniu w gwiazdę (w gwiazdę) i jednym w połączeniu w trójkąt.

Prostowniki powielające napięcie

Przełączany pełny podwajacz mostka/napięcia.

Prosty prostownik półfalowy może być zbudowany w dwóch konfiguracjach elektrycznych z diodami skierowanymi w przeciwnych kierunkach, jedna wersja łączy ujemny zacisk wyjścia bezpośrednio z zasilaniem AC, a druga łączy dodatni zacisk wyjścia bezpośrednio z zasilaniem AC . Łącząc obie te funkcje z oddzielnym wygładzaniem wyjściowym, można uzyskać napięcie wyjściowe prawie dwukrotnie wyższe od szczytowego napięcia wejściowego AC. Zapewnia to również odczep pośrodku, który umożliwia wykorzystanie takiego obwodu jako zasilacza z dzieloną szyną.

Wariantem tego jest użycie dwóch kondensatorów połączonych szeregowo do wygładzania wyjścia na prostowniku mostkowym, a następnie umieszczenie przełącznika między punktem środkowym tych kondensatorów a jednym z zacisków wejściowych AC. Przy otwartym przełączniku obwód ten działa jak normalny prostownik mostkowy. Przy zamkniętym przełączniku działa jak prostownik podwajający napięcie. Innymi słowy, ułatwia to uzyskanie napięcia w przybliżeniu 320 V (±15%, ok.) DC z dowolnego źródła zasilania 120 V lub 230 V na świecie, które można następnie wprowadzić do stosunkowo prostego trybu przełączania zasilanie . Jednak dla danego pożądanego tętnienia, wartość obu kondensatorów musi być dwa razy większa od wartości jednego wymaganego dla normalnego prostownika mostkowego; gdy przełącznik jest zamknięty, każdy z nich musi filtrować wyjście prostownika półfalowego, a gdy przełącznik jest otwarty, dwa kondensatory są połączone szeregowo z równoważną wartością połowy jednego z nich.

Mnożnik napięcia Cockcrofta Waltona

Można dodać kaskadowe stopnie diodowe i kondensatorowe, aby uzyskać powielacz napięcia ( obwód Cockroft-Walton ). Obwody te są w stanie wytworzyć potencjał napięcia wyjściowego prądu stałego do około dziesięciokrotności szczytowego napięcia wejściowego prądu przemiennego, w praktyce ograniczony przez obciążalność prądową i kwestie regulacji napięcia. Mnożniki napięcia diodowego, często używane jako śledzący stopień doładowania lub pierwotne źródło wysokiego napięcia (WN), są stosowane w zasilaczach laserowych wysokiego napięcia, zasilaniu urządzeń, takich jak lampy katodowe (CRT) (takie jak te stosowane w telewizji CRT, radarze i sonarze wyświetlacze), urządzenia wzmacniające fotony znajdujące się w lampach wzmacniających obraz i fotopowielaczach (PMT) oraz urządzenia o częstotliwości radiowej (RF) oparte na magnetronie, stosowane w nadajnikach radarowych i kuchenkach mikrofalowych. Przed wprowadzeniem elektroniki półprzewodnikowej, beztransformatorowe odbiorniki lampowe zasilane bezpośrednio z prądu przemiennego czasami wykorzystywały podwajacze napięcia do generowania około 300 VDC z linii zasilającej 100–120 V.

Kwantyfikacja prostowników

Do ilościowego określenia funkcji i wydajności prostowników lub ich mocy wyjściowej używa się kilku współczynników, w tym współczynnika wykorzystania transformatora (TUF), współczynnika konwersji ( η ), współczynnika tętnienia, współczynnika kształtu i współczynnika szczytowego. Dwie podstawowe miary to napięcie prądu stałego (lub przesunięcie) i napięcie tętnienia szczytowego, które są składnikami napięcia wyjściowego.

Współczynnik konwersji

Współczynnik konwersji (zwany również „współczynnikiem prostowania” i myląco „wydajnością”) η jest zdefiniowany jako stosunek mocy wyjściowej prądu stałego do mocy wejściowej z zasilania prądem przemiennym. Nawet w przypadku idealnych prostowników stosunek ten jest mniejszy niż 100%, ponieważ część mocy wyjściowej to moc prądu przemiennego, a nie prądu stałego, co objawia się falowaniem nałożonym na przebieg prądu stałego. Stosunek można poprawić za pomocą obwodów wygładzających, które zmniejszają tętnienia, a tym samym zmniejszają zawartość prądu przemiennego na wyjściu. Współczynnik konwersji jest zmniejszony przez straty w uzwojeniach transformatora i rozpraszanie mocy w samym elemencie prostownika. Stosunek ten ma niewielkie znaczenie praktyczne, ponieważ za prostownikiem prawie zawsze znajduje się filtr zwiększający napięcie DC i zmniejszający tętnienia. W niektórych aplikacjach trójfazowych i wielofazowych współczynnik konwersji jest na tyle wysoki, że obwody wygładzające nie są potrzebne. W innych obwodach, takich jak obwody grzejnika żarnika w elektronice lamp próżniowych, gdzie obciążenie jest prawie całkowicie rezystancyjne, obwody wygładzające można pominąć, ponieważ rezystory rozpraszają zarówno prąd przemienny, jak i stały, więc nie następuje utrata mocy.

Dla prostownika półfalowego stosunek ten jest bardzo skromny.

(dzielniki wynoszą 2 zamiast 2, ponieważ w ujemnym półcyklu nie jest dostarczana moc)

Zatem maksymalny współczynnik konwersji dla prostownika półfalowego wynosi,

Podobnie dla prostownika pełnookresowego,

Prostowniki trójfazowe, zwłaszcza trójfazowe prostowniki pełnookresowe, mają znacznie większe współczynniki konwersji, ponieważ tętnienia są z natury mniejsze.

Dla trójfazowego prostownika półfalowego,

Dla trójfazowego prostownika pełnookresowego,

Współczynnik wykorzystania transformatora

Współczynnik wykorzystania transformatora (TUF) obwodu prostownika jest zdefiniowany jako stosunek mocy DC dostępnej na rezystorze wejściowym do wartości prądu przemiennego cewki wyjściowej transformatora.

Wartość znamionową transformatora można zdefiniować jako:

Spadek napięcia prostownika

Rzeczywisty prostownik w charakterystyczny sposób obniża część napięcia wejściowego ( spadek napięcia , w przypadku urządzeń krzemowych, zwykle o 0,7 V plus równoważna rezystancja, ogólnie nieliniowy) – a przy wysokich częstotliwościach zniekształca przebiegi w inny sposób. W przeciwieństwie do idealnego prostownika rozprasza pewną moc.

Aspektem większości prostowania jest strata między szczytowym napięciem wejściowym a szczytowym napięciem wyjściowym, spowodowana wbudowanym spadkiem napięcia na diodach (około 0,7 V dla zwykłych krzemowych diod złącza p-n i 0,3 V dla diod Schottky'ego ). Prostowanie półokresowe i prostowanie pełnookresowe przy użyciu środkowego odczepu wtórnego powoduje szczytową utratę napięcia o jedną diodę. Prostowanie mostka ma stratę dwóch kropel diody. Zmniejsza to napięcie wyjściowe i ogranicza dostępne napięcie wyjściowe, jeśli trzeba wyprostować bardzo niskie napięcie przemienne. Ponieważ diody nie przewodzą poniżej tego napięcia, obwód przepuszcza prąd tylko przez część każdego półcyklu, powodując pojawienie się krótkich segmentów zerowego napięcia (gdzie chwilowe napięcie wejściowe jest poniżej jednego lub dwóch spadków diody) pomiędzy każdym „garbem”. ”.

Strata szczytowa jest bardzo ważna w przypadku prostowników niskiego napięcia (na przykład 12 V lub mniej), ale jest nieistotna w zastosowaniach wysokonapięciowych, takich jak systemy przesyłu energii HVDC.

Zniekształcenia harmoniczne

Obciążenia nieliniowe, takie jak prostowniki, wytwarzają harmoniczne prądu o częstotliwości źródła po stronie AC i harmoniczne napięcia o częstotliwości źródła po stronie DC, ze względu na zachowanie przełączania.

Wygładzanie wyjścia prostownika

Wejście AC (żółty) i wyjście DC (zielony) prostownika półfalowego z kondensatorem wygładzającym. Zwróć uwagę na tętnienie sygnału DC.

Podczas gdy prostowanie półfalowe i pełnookresowe dostarczają prąd jednokierunkowy, żadne z nich nie wytwarza stałego napięcia. W przypadku prostownika półfalowego występuje duży składnik tętnienia napięcia zmiennego przy częstotliwości źródła, a w przypadku prostownika pełnookresowego jest dwukrotnie wyższa. Napięcie tętnienia jest zwykle określane ze szczytu do szczytu. Wytwarzanie stałego prądu stałego z wyprostowanego źródła prądu przemiennego wymaga obwodu wygładzającego lub filtra . W najprostszej postaci może to być po prostu kondensator (zwany również filtrem, zbiornikiem lub kondensatorem wygładzającym), dławik, rezystor, dioda i rezystor Zenera lub regulator napięcia umieszczony na wyjściu prostownika. W praktyce większość filtrów wygładzających wykorzystuje wiele komponentów, aby skutecznie zredukować napięcie tętnienia do poziomu tolerowanego przez obwód.

Pełnofalowy prostownik mostkowy z równoległym filtrem bocznikowym RC

Kondensator filtrujący uwalnia zmagazynowaną energię podczas części cyklu prądu przemiennego, gdy źródło prądu przemiennego nie dostarcza żadnej mocy, to znaczy, gdy źródło prądu przemiennego zmienia kierunek przepływu prądu.

Wydajność ze źródłem o niskiej impedancji

Reservoircapidealised.gif

Powyższy diagram przedstawia wydajność zbiornika ze źródła o niemal zerowej impedancji , takiego jak zasilanie sieciowe. Wraz ze wzrostem napięcia prostownika ładuje kondensator, a także dostarcza prąd do obciążenia. Pod koniec cyklu ćwiartkowego kondensator jest ładowany do wartości szczytowej Vp napięcia prostownika. Następnie napięcie prostownika zaczyna spadać do swojej minimalnej wartości Vmin, gdy wchodzi w kolejny cykl kwartalnikowy. To inicjuje rozładowanie kondensatora przez obciążenie.

Wielkość kondensatora C jest określona przez wielkość tętnień r, które mogą być tolerowane, gdzie r=(Vp-Vmin)/Vp.

Obwody te są bardzo często zasilane z transformatorów i mają znaczną rezystancję . Rezystancja transformatora modyfikuje kształt fali kondensatora zbiornika, zmienia napięcie szczytowe i wprowadza problemy z regulacją.

Filtr wejściowy kondensatora

Dla danego obciążenia wymiarowanie kondensatora wygładzającego jest kompromisem między zmniejszeniem napięcia tętnienia a zwiększeniem prądu tętnienia. Prąd szczytowy jest ustalany przez szybkość narastania napięcia zasilania na zboczu narastającym przychodzącej fali sinusoidalnej, pomniejszoną o rezystancję uzwojeń transformatora. Wysokie prądy tętnienia zwiększają straty I 2 R (w postaci ciepła) w uzwojeniach kondensatora, prostownika i transformatora i mogą przekraczać obciążalność prądową elementów lub wartość znamionową VA transformatora. Prostowniki lampowe określają maksymalną pojemność kondensatora wejściowego, a prostowniki diodowe SS również mają ograniczenia prądowe. Kondensatory do tej aplikacji wymagają niskiego ESR , w przeciwnym razie prąd tętniący może je przegrzać. Aby ograniczyć napięcie tętnienia do określonej wartości, wymagany rozmiar kondensatora jest proporcjonalny do prądu obciążenia i odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości zasilania i liczby szczytów wyjściowych prostownika na cykl wejściowy. Wyjście rektyfikowane pełnookresowo wymaga mniejszego kondensatora, ponieważ jego częstotliwość jest dwukrotnie wyższa od częstotliwości wyjściowej rektyfikowanej półokresowo. Aby zredukować tętnienia do zadowalającego limitu za pomocą tylko jednego kondensatora, często potrzebny byłby kondensator o niepraktycznych rozmiarach. Dzieje się tak, ponieważ prąd tętnienia kondensatora nie wzrasta liniowo wraz z rozmiarem i mogą również występować ograniczenia wysokości. W przypadku zastosowań wysokoprądowych zamiast nich stosowane są baterie kondensatorów.

Filtr wejściowy ssania

Możliwe jest również umieszczenie wyprostowanego przebiegu w filtrze dławiącym wejściowym . Zaletą tego obwodu jest to, że przebieg prądu jest gładszy: prąd jest pobierany przez cały cykl, zamiast być pobierany w impulsach przy szczytach napięcia przemiennego w każdym półcyklu, jak w filtrze wejściowym kondensatora. Wadą jest to, że napięcie wyjściowe jest znacznie niższe – średnia półcyklu AC, a nie szczyt; jest to około 90% napięcia RMS w stosunku do wartości napięcia RMS (bez obciążenia) dla filtra wejściowego kondensatora. Kompensacja to doskonała regulacja napięcia i wyższy dostępny prąd, które zmniejszają zapotrzebowanie na napięcie szczytowe i prąd tętniący na elementy zasilacza. Cewki indukcyjne wymagają rdzeni z żelaza lub innych materiałów magnetycznych oraz zwiększają wagę i rozmiar. Ich zastosowanie w zasilaczach do sprzętu elektronicznego zmniejszyło się zatem na korzyść obwodów półprzewodnikowych, takich jak regulatory napięcia.

Rezystor jako filtr wejściowy

W przypadkach, gdy napięcie tętnienia jest nieznaczne, jak w przypadku ładowarek akumulatorów, filtrem wejściowym może być pojedynczy rezystor szeregowy, aby dostosować napięcie wyjściowe do wymaganego przez obwód. Rezystor zmniejsza proporcjonalnie zarówno napięcie wyjściowe, jak i napięcie tętnienia. Wadą filtra wejściowego rezystora jest to, że pobiera on energię w postaci ciepła odpadowego, które nie jest dostępne dla obciążenia, dlatego jest stosowany tylko w obwodach niskoprądowych.

Filtry wyższego rzędu i kaskadowe

Aby jeszcze bardziej zredukować tętnienia, po wstępnym elemencie filtrującym mogą być umieszczone dodatkowe naprzemienne elementy filtra szeregowego i bocznikowego lub regulator napięcia. Elementami filtra szeregowego mogą być rezystory lub dławiki; Elementami bocznikowymi mogą być rezystory lub kondensatory. Filtr może podnosić napięcie DC, a także zmniejszać tętnienia. Filtry są często zbudowane z par elementów szeregowych/bocznikowych zwanych sekcjami RC (rezystor szeregowy, kondensator bocznikowy) lub LC (dławik szeregowy, kondensator bocznikowy). Dwie popularne geometrie filtrów są znane jako filtry Pi (kondensator, dławik, kondensator) i T (dławik, kondensator, dławik). Czasami elementy szeregowe są rezystorami - ponieważ rezystory są mniejsze i tańsze - gdy niższa moc wyjściowa DC jest pożądana lub dopuszczalna. Innym rodzajem specjalnej geometrii filtra jest szeregowy rezonansowy dławik lub dostrojony filtr dławiący. W przeciwieństwie do innych geometrii filtrów, które są filtrami dolnoprzepustowymi, rezonansowy filtr dławiący jest filtrem pasmowo-zaporowym: jest to równoległa kombinacja dławika i kondensatora, która rezonuje z częstotliwością napięcia tętnienia, prezentując bardzo wysoką impedancję dla tętnienia . Może być po nim kondensator bocznikowy, aby uzupełnić filtr.

Regulatory napięcia

Bardziej typową alternatywą dla dodatkowych elementów filtra, jeśli obciążenie DC wymaga bardzo niskiego napięcia tętnienia, jest zastosowanie regulatora napięcia po filtrze wejściowym. Regulator napięcia działa na innej zasadzie niż filtr, który jest zasadniczo dzielnikiem napięcia, który przetacza napięcie o częstotliwości tętnienia z dala od obciążenia. Zamiast tego regulator zwiększa lub zmniejsza prąd dostarczany do obciążenia w celu utrzymania stałego napięcia wyjściowego.

Prosty pasywny bocznikowy regulator napięcia może składać się z rezystora szeregowego w celu obniżenia napięcia źródła do wymaganego poziomu oraz bocznika diody Zenera z napięciem wstecznym równym napięciu ustawionemu. Gdy napięcie wejściowe wzrasta, dioda zrzuca prąd, aby utrzymać ustawione napięcie wyjściowe. Ten rodzaj regulatora jest zwykle stosowany tylko w obwodach niskonapięciowych, niskoprądowych, ponieważ diody Zenera mają ograniczenia zarówno napięciowe, jak i prądowe. Jest również bardzo nieefektywny, ponieważ zrzuca nadmiar prądu, który nie jest dostępny dla obciążenia.

Bardziej wydajną alternatywą dla bocznikowego regulatora napięcia jest aktywny obwód regulatora napięcia . Aktywny regulator wykorzystuje elementy reaktywne do magazynowania i rozładowywania energii, dzięki czemu większość lub cały prąd dostarczany przez prostownik jest przekazywany do obciążenia. Może również wykorzystywać ujemne i dodatnie sprzężenie zwrotne w połączeniu z co najmniej jednym elementem wzmacniającym napięcie, takim jak tranzystor, aby utrzymać napięcie wyjściowe, gdy napięcie źródła spada. Filtr wejściowy musi zapobiegać spadkowi doliny tętnień poniżej minimalnego napięcia wymaganego przez regulator do wytworzenia wymaganego napięcia wyjściowego. Regulator służy zarówno do znacznego zmniejszenia tętnień, jak i do radzenia sobie ze zmianami w charakterystyce zasilania i obciążenia.

Aplikacje

Podstawowym zastosowaniem prostowników jest pozyskiwanie prądu stałego z zasilania prądem przemiennym (przetwornica AC na DC). Prostowniki są stosowane wewnątrz zasilaczy praktycznie wszystkich urządzeń elektronicznych. Zasilacze AC/DC można ogólnie podzielić na zasilacze liniowe i zasilacze impulsowe . W takich zasilaczach prostownik będzie połączony szeregowo za transformatorem, a za nim będzie filtr wygładzający i ewentualnie regulator napięcia.

Konwersja prądu stałego z jednego napięcia na inne jest znacznie bardziej skomplikowana. Jedna z metod konwersji prądu stałego na prąd stały polega najpierw na konwersji energii na prąd przemienny (za pomocą urządzenia zwanego falownikiem ), a następnie wykorzystaniu transformatora do zmiany napięcia, a na końcu na prostowaniu zasilania z powrotem na prąd stały. Stosowana jest częstotliwość zwykle kilkudziesięciu kiloherców, ponieważ wymaga to znacznie mniejszej indukcyjności niż przy niższych częstotliwościach i pozwala uniknąć stosowania ciężkich, nieporęcznych i drogich jednostek z rdzeniem żelaznym. Inna metoda konwersji napięć stałych wykorzystuje pompę ładującą , wykorzystującą szybkie przełączanie do zmiany połączeń kondensatorów; technika ta jest generalnie ograniczona do dostaw o mocy do kilku watów, ze względu na wielkość wymaganych kondensatorów.

Napięcie wyjściowe prostownika pełnookresowego ze sterowanymi tyrystorami

Prostowniki są również wykorzystywane do wykrywania z modulacją amplitudy sygnałów radiowych. Sygnał może zostać wzmocniony przed wykryciem. Jeśli nie, należy zastosować diodę o bardzo niskim spadku napięcia lub diodę spolaryzowaną stałym napięciem. Podczas używania prostownika do demodulacji, kondensator i rezystancja obciążenia muszą być dokładnie dopasowane: zbyt niska pojemność powoduje przejście nośnika wysokiej częstotliwości na wyjście, a zbyt wysoka powoduje, że kondensator po prostu ładuje się i pozostaje naładowany.

Prostowniki dostarczają spolaryzowane napięcie do spawania . W takich obwodach wymagana jest kontrola prądu wyjściowego; Jest to czasami osiągnąć przez zastąpienie niektórych z tych diod w prostownika mostkowego z tyrystorów skutecznie diody, której napięcie wyjściowe może być regulowana przez włączenie i wyłączenie z fazy zwolniony kontrolerów .

Tyrystory są wykorzystywane w różnych klasach kolejowego taboru systemów tak, aby dobrze kontrola silników trakcyjnych można osiągnąć. Tyrystory wyłączające bramkę służą do wytwarzania prądu przemiennego ze źródła prądu stałego, na przykład w pociągach Eurostar do zasilania trójfazowych silników trakcyjnych.

Technologie rektyfikacji

Elektromechaniczny

Przed około 1905 r., kiedy opracowano prostowniki lampowe, urządzenia do konwersji mocy miały konstrukcję czysto elektromechaniczną. Prostowniki mechaniczne wykorzystywały pewną formę rotacji lub wibracji rezonansowych napędzanych przez elektromagnesy, które sterowały przełącznikiem lub komutatorem w celu odwrócenia prądu.

Te prostowniki mechaniczne były głośne i miały wysokie wymagania konserwacyjne. Ruchome części miały tarcie, które wymagało smarowania i wymiany ze względu na zużycie. Otwieranie styków mechanicznych pod obciążeniem powodowało powstawanie łuków elektrycznych i iskier, które podgrzewały i erodowały styki. Nie były również w stanie obsłużyć częstotliwości prądu przemiennego powyżej kilku tysięcy cykli na sekundę.

Prostownik synchroniczny

Do zamiany prądu przemiennego na prąd stały w lokomotywach elektrycznych można zastosować prostownik synchroniczny. Składa się z silnika synchronicznego napędzającego zestaw wytrzymałych styków elektrycznych. Silnik obraca się w czasie z częstotliwością prądu przemiennego i okresowo odwraca połączenia z obciążeniem w chwili, gdy prąd sinusoidalny przechodzi przez zero. Styki nie muszą przełączać dużego prądu, ale muszą być w stanie przenosić duży prąd do zasilania silników trakcyjnych lokomotywy prądu stałego .

Prostownik wibracyjny

Wibrator ładowarka od 1922 roku produkowany 6 A DC przy 6 V do ładowania akumulatorów samochodowych.

Składały się one z rezonansowego stroika , wibrowanego przez zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes prądu przemiennego , ze stykami, które odwracały kierunek prądu w ujemnych półcyklach. Stosowano je w urządzeniach małej mocy, takich jak ładowarki akumulatorów , do prostowania niskiego napięcia wytwarzanego przez transformator obniżający napięcie. Innym zastosowaniem były zasilacze bateryjne do przenośnych radiotelefonów lampowych, aby zapewnić wysokie napięcie prądu stałego dla lamp. Działały one jako mechaniczna wersja nowoczesnych falowników przełączających półprzewodnikowych , z transformatorem zwiększającym napięcie akumulatora i zestawem styków wibratora na rdzeniu transformatora, obsługiwanym przez jego pole magnetyczne, aby wielokrotnie przerywać prąd akumulatora DC w celu wytworzenia pulsujący prąd przemienny do zasilania transformatora. Następnie drugi zestaw styków prostownika na wibratorze wyprostował wysokie napięcie AC z wtórnego transformatora na DC.

Zestaw silnik-generator

Mały zestaw silnikowo-prądnicowy

Zestaw silnik-generator , albo podobny przetwornik obrotowy , nie jest ściśle prostownik, ponieważ nie faktycznie naprawić obecny, lecz generuje DC ze źródła prądu zmiennego. W „zestawie MG” wał silnika prądu przemiennego jest mechanicznie sprzężony z wałem generatora prądu stałego . Generator prądu stałego wytwarza w uzwojeniach twornika wielofazowe prądy przemienne , które komutator na wale twornika przetwarza na wyjście prądu stałego; lub generator homopolarny wytwarza prąd stały bez konieczności stosowania komutatora. Zestawy MG są przydatne do wytwarzania prądu stałego do silników trakcyjnych kolejowych, silników przemysłowych i innych zastosowań wysokoprądowych i były powszechne w wielu zastosowaniach prądu stałego o dużej mocy (na przykład projektory z łukiem węglowym do teatrów zewnętrznych), zanim stały się półprzewodniki dużej mocy powszechnie dostępne.

Elektrolityczny

Elektrolityczny prostownik było urządzenie z początku XX wieku, który nie jest już używany. Wersja domowej roboty jest zilustrowana w książce The Boy Mechanic z 1913 roku, ale byłaby odpowiednia do użycia tylko przy bardzo niskich napięciach ze względu na niskie napięcie przebicia i ryzyko porażenia prądem . Bardziej złożone urządzenie tego typu zostało opatentowane przez GW Carpentera w 1928 roku (patent USA 1671970).

Gdy dwa różne metale są zawieszone w roztworze elektrolitu, prąd stały płynący w jedną stronę przez roztwór napotyka mniejszy opór niż w drugą stronę. Prostowniki elektrolityczne najczęściej wykorzystują anodę aluminiową i katodę ołowiową lub stalową, zawieszone w roztworze ortofosforanu triamonu.

Działanie rektyfikacyjne jest spowodowane cienką powłoką wodorotlenku glinu na elektrodzie aluminiowej, utworzonej przez przyłożenie najpierw silnego prądu do ogniwa w celu utworzenia powłoki. Proces rektyfikacji jest wrażliwy na temperaturę i dla uzyskania najlepszej wydajności nie powinien działać powyżej 86 °F (30 °C). Istnieje również napięcie przebicia, w którym penetruje się powłokę i następuje zwarcie ogniwa. Metody elektrochemiczne są często bardziej kruche niż metody mechaniczne i mogą być wrażliwe na zmiany użytkowania, które mogą drastycznie zmienić lub całkowicie zakłócić procesy rektyfikacji.

Podobne urządzenia elektrolityczne były używane jako odgromniki w tej samej epoce, zawieszając wiele aluminiowych stożków w zbiorniku z roztworem ortofosforanu triamonu. W przeciwieństwie do powyższego prostownika, użyto tylko elektrod aluminiowych i użyto na AC, nie było polaryzacji, a zatem nie było działania prostownika, ale chemia była podobna.

Z prostownika elektrolitycznego został również opracowany nowoczesny kondensator elektrolityczny , niezbędny element większości układów prostownikowych.

Rodzaj plazmy

Rozwój technologii lamp próżniowych na początku XX wieku zaowocował wynalezieniem różnych prostowników lampowych, które w dużej mierze zastąpiły hałaśliwe, nieefektywne prostowniki mechaniczne.

Łuk rtęciowy

Wczesna 3-fazowa przemysłowa rura prostownikowa z parą rtęci
Zawór rtęciowy 150 kV w elektrowni Manitoba Hydro , Radisson, Kanada, zamienił energię wodną prądu przemiennego na prąd stały w celu przesyłu do odległych miast.

Prostownik stosowany w wysokonapięciowych systemach przesyłowych prądu stałego (HVDC) i przetwarzaniu przemysłowym w latach około 1909-1975 to prostownik rtęciowy lub zawór rtęciowy . Urządzenie zamknięte jest w bulwiastym szklanym naczyniu lub dużej metalowej wannie. Jedna elektroda, katoda , jest zanurzona w kałuży ciekłej rtęci na dnie naczynia, a nad kałużą zawieszona jest jedna lub więcej elektrod grafitowych o wysokiej czystości, zwanych anodami . Może być kilka elektrod pomocniczych, które pomogą w uruchomieniu i utrzymaniu łuku. Kiedy łuk elektryczny powstaje między basenem katodowym a zawieszonymi anodami, strumień elektronów przepływa z katody do anod przez zjonizowaną rtęć, ale nie w drugą stronę (w zasadzie jest to odpowiednik o większej mocy do prostowania płomienia , który wykorzystuje te same jednokierunkowe właściwości transmisji prądu, co plazma naturalnie występująca w płomieniu).

Urządzenia te mogą być używane przy poziomach mocy setek kilowatów i mogą być zbudowane do obsługi od jednej do sześciu faz prądu przemiennego. W połowie lat siedemdziesiątych prostowniki rtęciowe zostały zastąpione krzemowymi prostownikami półprzewodnikowymi i obwodami tyrystorowymi dużej mocy . W projekcie Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC zainstalowano najpotężniejsze prostowniki rtęciowe, jakie kiedykolwiek zbudowano , o łącznej mocy znamionowej ponad 1 GW i 450 kV.

Lampa elektronowa z gazem argonowym

Żarówki tungarowe z 1917 r., 2 ampery (po lewej) i 6 amperów

General Electric Tungar prostownik był pary rtęci (ex.:5B24) lub argon (ex.:328) wypełnionej gazem lampy elektronowej urządzenia z katodą wolframowe i przycisk węgla anody. Działała podobnie do termoelektrycznej diody lampy próżniowej, ale gaz w lampie jonizował się podczas przewodzenia przewodzenia, co dało jej znacznie niższy spadek napięcia przewodzenia, dzięki czemu mogła prostować niższe napięcia. Był używany do ładowarek akumulatorów i podobnych zastosowań od lat 20. XX wieku, dopóki nie wyparły go tańsze metalowe prostowniki , a później diody półprzewodnikowe. Były one wykonane do kilkuset woltów i kilku amperów, a w niektórych rozmiarach bardzo przypominały żarówkę z dodatkową elektrodą.

0Z4 była rurą prostownikową wypełnioną gazem, powszechnie używaną w radioodbiornikach samochodowych z lampą próżniową w latach 40. i 50. XX wieku. Był to konwencjonalny prostownik pełnookresowy z dwiema anodami i jedną katodą, ale był wyjątkowy, ponieważ nie miał żarnika (stąd „0” w numerze typu). Elektrody zostały ukształtowane tak, że napięcie przebicia wstecznego było znacznie wyższe niż napięcie przebicia w kierunku przewodzenia. Po przekroczeniu napięcia przebicia 0Z4 przechodził w stan niskiej rezystancji ze spadkiem napięcia przewodzenia około 24 V.

Diodowa rura próżniowa (zawór)

Diody lamp próżniowych

Thermionic lampowy dioda , pierwotnie zwany zawór Fleming , został wynaleziony przez John Ambrose Fleming w 1904 roku jako detektor dla fal radiowych odbiorników radiowych i przekształciła się w ogólną prostownika. Składał się z próżniowej bańki szklanej z żarnikiem ogrzewanym oddzielnym prądem oraz metalowej anody . Włókno emitowało elektrony w wyniku emisji termionowej (efekt Edisona), odkrytej przez Thomasa Edisona w 1884 roku, a dodatnie napięcie na płytce powodowało przepływ elektronów przez rurkę od żarnika do płytki. Ponieważ tylko żarnik wytwarzał elektrony, rura przewodziłaby prąd tylko w jednym kierunku, umożliwiając rurze prostowanie prądu przemiennego.

Prostowniki z diodą termionową były szeroko stosowane w zasilaczach w elektronice użytkowej lamp elektronowych, takich jak gramofony, radia i telewizory, na przykład odbiornik radiowy All American Five , w celu zapewnienia wysokiego napięcia płyty DC wymaganego przez inne lampy próżniowe. Wersje „pełnofalowe” z dwiema oddzielnymi płytkami były popularne, ponieważ można je było wykorzystać z transformatorem z odczepem centralnym, tworząc prostownik pełnookresowy. Próżniowe prostowniki rurowe były wykonane na bardzo wysokich napięć, takie jak zasilacz wysokiego napięcia dla katody kineskopu z telewizyjnych odbiorników oraz kenotron używany do zasilania w rentgenowskim urządzenia. Jednak w porównaniu z nowoczesnymi diodami półprzewodnikowymi, prostowniki lampowe mają wysoką rezystancję wewnętrzną ze względu na ładunek kosmiczny, a co za tym idzie duże spadki napięcia, powodujące duże rozpraszanie mocy i niską sprawność. Rzadko są w stanie wytrzymać prądy przekraczające 250 mA ze względu na ograniczenia rozpraszania mocy płyty i nie mogą być używane do zastosowań niskonapięciowych, takich jak ładowarki akumulatorów. Innym ograniczeniem prostownika lampowego jest to, że zasilacz grzałki często wymaga specjalnych rozwiązań w celu odizolowania go od wysokich napięć obwodu prostownika.

Stan stały

Detektor kryształów

Wykrywacz wąsów kota Galena

Detektor kryształowy był najwcześniejszym typem diody półprzewodnikowej. Wynaleziony przez Jagadish Chandra Bose i opracowany przez GW Pickarda w 1902 roku, był znaczącym ulepszeniem w stosunku do wcześniejszych detektorów, takich jak koherer. Detektor kryształów był szeroko stosowany przed pojawieniem się lamp próżniowych. Jeden popularny typ detektora kryształowego, często nazywany detektorem kocich wąsów , składa się z kryształu jakiegoś minerału półprzewodnikowego , zwykle galeny (siarczku ołowiu), z lekkim sprężystym drutem dotykającym jego powierzchni. Jego kruchość i ograniczona obciążalność prądowa sprawiły, że nie nadaje się do zastosowań związanych z zasilaniem. W latach 30. XX wieku badacze zminiaturyzowali i ulepszyli detektor kryształowy do użytku na częstotliwościach mikrofalowych.

Prostowniki z tlenku selenu i miedzi

Prostownik selenowy

Niegdyś powszechne, dopóki w latach 70. nie zastąpiono ich bardziej kompaktowymi i mniej kosztownymi prostownikami półprzewodnikowymi z krzemu, jednostki te wykorzystywały stosy pokrytych tlenkiem płytek metalowych i wykorzystywały półprzewodnikowe właściwości tlenku selenu lub miedzi. Chociaż prostowniki selenowe były lżejsze i zużywały mniej energii niż porównywalne prostowniki lampowe, miały wadę skończonej żywotności, zwiększającej się wraz z wiekiem rezystancji i nadawały się do stosowania tylko przy niskich częstotliwościach. Zarówno prostowniki z selenu, jak i z tlenku miedzi mają nieco lepszą tolerancję chwilowych stanów nieustalonych napięcia niż prostowniki krzemowe.

Zazwyczaj prostowniki te składały się ze stosów metalowych płytek lub podkładek, utrzymywanych razem przez centralną śrubę, przy czym liczba stosów była określona przez napięcie; każde ogniwo było oceniane na około 20 V. Prostownik ładowarki samochodowej może mieć tylko jedno ogniwo: zasilacz wysokiego napięcia dla lampy próżniowej może mieć dziesiątki ułożonych w stos płytek. Gęstość prądu w chłodzonym powietrzem stosie selenowym wynosiła około 600 mA na cal kwadratowy obszaru aktywnego (około 90 mA na centymetr kwadratowy).

Diody krzemowe i germanowe

Różnorodne diody krzemowe o różnych wartościach prądu. Po lewej stronie znajduje się prostownik mostkowy . Na 3 środkowych diodach pomalowany pasek identyfikuje zacisk katody

Diody krzemowe są najczęściej stosowanymi prostownikami do niższych napięć i mocy iw dużej mierze zastąpiły inne prostowniki. Ze względu na ich znacznie niższe napięcie przewodzenia (0,3 V w porównaniu do 0,7 V dla diod krzemowych) diody germanowe mają nieodłączną przewagę nad diodami krzemowymi w obwodach niskiego napięcia.

Wysoka moc: tyrystory (SCR) i nowsze przetworniki napięciowe na bazie krzemu

Dwa z trzech stosów zaworów tyrystorowych dużej mocy wykorzystywanych do przesyłu mocy na duże odległości z tam Manitoba Hydro . Porównaj z systemem łuku rtęciowego z tej samej tamy, powyżej.

W zastosowaniach o dużej mocy, od 1975 do 2000, większość łukowych prostowników rtęciowych została zastąpiona stosami tyrystorów bardzo dużej mocy , urządzeń krzemowych z dwiema dodatkowymi warstwami półprzewodnika, w porównaniu z prostą diodą.

W zastosowaniach przesyłowych średniej mocy, nawet bardziej złożone i wyrafinowane układy krzemowych prostowników półprzewodnikowych z konwerterem napięcia (VSC), takie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) i tyrystory wyłączające bramkę (GTO) , sprawiły, że transmisja prądu stałego o wysokim napięciu systemy ekonomiczne. Wszystkie te urządzenia działają jako prostowniki.

Od 2009 r. oczekiwano, że te krzemowe „przełączniki samokomutujące” dużej mocy, w szczególności IGBT i wariant tyrystora (powiązany z GTO), zwany tyrystorem zintegrowanym z komutacją bramki (IGCT), zostaną zwiększone pod względem mocy oceny do tego stopnia, że ​​w końcu zastąpią proste tyrystorowe układy prostownicze prądu przemiennego dla aplikacji prądu stałego o najwyższej transmisji mocy.

Aktywny prostownik

Spadek napięcia na diodzie i tranzystorze MOSFET. Niska rezystancja włączenia tranzystora MOSFET zmniejsza straty omowe w porównaniu do prostownika diodowego (w tym przypadku poniżej 32 A), który wykazuje znaczny spadek napięcia nawet przy bardzo niskich poziomach prądu. Równoległe połączenie dwóch tranzystorów MOSFET (krzywa różowa) dodatkowo zmniejsza straty, podczas gdy równoległość kilku diod nie zmniejszy znacząco spadku napięcia w kierunku przewodzenia.

Prostowanie aktywne to technika poprawy wydajności prostowania poprzez zastąpienie diod przełącznikami aktywnie sterowanymi, takimi jak tranzystory , zwykle tranzystory mocy MOSFET lub BJT mocy . Podczas gdy normalne diody półprzewodnikowe mają w przybliżeniu stały spadek napięcia około 0,5-1 V, aktywne prostowniki zachowują się jak rezystancje i mogą mieć dowolnie niski spadek napięcia.

Historycznie, przełączniki napędzane wibratorami lub komutatory napędzane silnikiem były również używane w prostownikach mechanicznych i prostowaniu synchronicznym.

Prostowanie aktywne ma wiele zastosowań. Jest często używany do tablic paneli fotowoltaicznych, aby uniknąć przepływu prądu wstecznego, który może powodować przegrzanie z częściowym zacienieniem przy minimalnych stratach mocy.

Obecne badania

Głównym obszarem badań jest opracowanie prostowników o wyższej częstotliwości, które mogą być prostowane do częstotliwości terahercowych i świetlnych. Urządzenia te są wykorzystywane w optycznym wykrywaniu heterodyn , które mają niezliczone zastosowania w komunikacji światłowodowej i zegarach atomowych . Innym potencjalnym zastosowaniem takich urządzeń jest bezpośrednie prostowanie fal świetlnych odbieranych przez maleńkie anteny , zwane nantennas , w celu wytworzenia prądu stałego. Uważa się , że układy anten mogą być bardziej wydajnym sposobem wytwarzania energii słonecznej niż ogniwa słoneczne .

Pokrewnym obszarem badań jest opracowanie mniejszych prostowników, ponieważ mniejsze urządzenie ma wyższą częstotliwość odcięcia. Projekty badawcze mają na celu opracowanie prostownika jednocząsteczkowego , pojedynczej cząsteczki organicznej, która pełniłaby funkcję prostownika.

Zobacz też

Bibliografia