La energía eléctrica es convenientemente transportada y convertida en magnitud en forma de voltaje alterno. Es de esta forma que se entrega al consumidor final. Pero para alimentar muchos dispositivos, aún necesita un voltaje constante.
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¿Por qué necesitamos un rectificador en ingeniería eléctrica?
La tarea de convertir el voltaje de CA a CC se asigna a los rectificadores. Este dispositivo es ampliamente utilizado, y las principales áreas de uso de los dispositivos rectificadores en ingeniería de radio y eléctrica son:
- formación de corriente continua para instalaciones eléctricas de potencia (subestaciones de tracción, plantas de electrólisis, sistemas de excitación de generadores síncronos) y potentes motores de corriente continua;
- fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos;
- detección de señales de radio moduladas;
- formación de un voltaje constante proporcional al nivel de la señal de entrada para la construcción de sistemas de control automático de ganancia.
El alcance completo de los rectificadores es extenso y es imposible enumerarlo en el marco de una revisión.
Principios de funcionamiento de los rectificadores.
El funcionamiento de los dispositivos rectificadores se basa en la propiedad de conductividad unilateral de los elementos. Puedes hacer esto de diferentes maneras. Muchas formas de aplicaciones industriales se han convertido en cosa del pasado, como el uso de máquinas síncronas mecánicas o dispositivos de electrovacío. Ahora se utilizan válvulas que conducen la corriente en una dirección. No hace mucho tiempo, los dispositivos de mercurio se usaban para rectificadores de alta potencia. Por el momento, están prácticamente reemplazados por elementos semiconductores (silicio).
Circuitos rectificadores típicos
El dispositivo rectificador se puede construir de acuerdo con varios principios. Al analizar los circuitos del dispositivo, debe recordarse que el voltaje constante en la salida de cualquier rectificador solo se puede llamar condicionalmente. Este nodo produce un voltaje unidireccional pulsante, que en la mayoría de los casos debe ser suavizado por filtros. Algunos consumidores también requieren la estabilización del voltaje rectificado.
Rectificadores monofásicos
El rectificador de voltaje de CA más simple es un solo diodo.
Pasa las medias ondas positivas de la sinusoide al consumidor y "corta" las negativas.
El alcance de dicho dispositivo es pequeño, principalmente, rectificadores de fuente de alimentación de conmutaciónoperando a frecuencias relativamente altas. Aunque produce corriente que fluye en una dirección, tiene desventajas significativas:
- alto nivel de ondulación: para suavizar y obtener corriente continua, necesitará un condensador grande y voluminoso;
- uso incompleto de la potencia del transformador reductor (o elevador), lo que lleva a un aumento en los indicadores de peso y tamaño requeridos;
- la FEM promedio en la salida es menos de la mitad de la FEM suministrada;
- mayores requisitos para el diodo (por otro lado, solo se necesita una válvula).
Por lo tanto, más extendida circuito de onda completa (puente).
Aquí, la corriente fluye a través de la carga dos veces por período en una dirección:
- media onda positiva a lo largo del camino indicado por flechas rojas;
- media onda negativa a lo largo del camino indicado por las flechas verdes.
La onda negativa no desaparece, pero también se usa, por lo que la potencia del transformador de entrada se usa más completamente. El EMF promedio es el doble que el de la versión de media onda. La forma de la corriente de ondulación es mucho más cercana a una línea recta, pero aún se requiere un condensador de suavizado. Su capacidad y dimensiones serán menores que en el caso anterior, ya que la frecuencia de rizado es el doble de la frecuencia de la tensión de red.
Si hay un transformador con dos devanados idénticos que se pueden conectar en serie o con un devanado que tiene una derivación en el medio, se puede construir un rectificador de onda completa de acuerdo con un esquema diferente.
Esta opción es en realidad un circuito doble de un rectificador de media onda, pero tiene todas las ventajas de un rectificador de onda completa. La desventaja es la necesidad de utilizar un transformador de un diseño específico.
Si el transformador se fabrica en condiciones de aficionado, no hay obstáculos para enrollar el devanado secundario según sea necesario, pero se deberá usar un hierro un poco más grande. Pero en lugar de 4 diodos, solo se usan 2. Esto permitirá compensar la pérdida de peso y tamaño de los indicadores, e incluso ganar.
Si el rectificador está diseñado para alta corriente y las válvulas deben instalarse en radiadores, entonces instalar la mitad de la cantidad de diodos genera ahorros significativos. También se debe tener en cuenta que dicho rectificador tiene el doble de resistencia interna en comparación con el ensamblado en un circuito puente, por lo que el calentamiento de los devanados del transformador y las pérdidas asociadas también serán mayores.
Rectificadores trifásicos
Del circuito anterior, es lógico pasar a un rectificador de tensión trifásico, ensamblado según un principio similar.
La forma del voltaje de salida es mucho más cercana a una línea recta, el nivel de ondulación es solo del 14% y la frecuencia es igual a tres veces la frecuencia del voltaje de la red.
Y, sin embargo, la fuente de este circuito es un rectificador de media onda, por lo que muchas de las deficiencias no se pueden superar ni siquiera con una fuente de tensión trifásica. El principal es el uso incompleto de la potencia del transformador, y el EMF promedio es 1.17⋅E2ef (valor efectivo de la FEM del devanado secundario del transformador).
Los mejores parámetros tienen un circuito puente trifásico.
Aquí, la amplitud de la ondulación del voltaje de salida es el mismo 14%, pero la frecuencia es igual a la frecuencia hexagonal del voltaje de CA de entrada, por lo que la capacitancia del capacitor de filtro será la más pequeña de todas las opciones presentadas. Y la EMF de salida será el doble que en el circuito anterior.
Este rectificador se usa con un transformador de salida que tiene un devanado secundario en estrella, pero el mismo conjunto de válvula será mucho menos eficiente cuando se usa junto con un transformador cuya salida está conectada en delta.
Aquí la amplitud y frecuencia de pulsaciones son las mismas que en el circuito anterior. Pero el EMF promedio es menor que en el esquema anterior en tiempos. Por lo tanto, esta inclusión rara vez se usa.
Rectificadores multiplicadores de tensión
Es posible construir un rectificador cuyo voltaje de salida sea un múltiplo del voltaje de entrada. Por ejemplo, hay circuitos con duplicación de voltaje:
Aquí, el capacitor C1 se carga durante el semiciclo negativo y se conecta en serie con la onda positiva de la onda sinusoidal de entrada. La desventaja de esta construcción es la baja capacidad de carga del rectificador, así como el hecho de que el condensador C2 tiene el doble del valor de voltaje. Por lo tanto, dicho circuito se utiliza en ingeniería de radio para duplicar la rectificación de señales de baja potencia para detectores de amplitud, como elemento de medición en circuitos de control automático de ganancia, etc.
En ingeniería eléctrica y electrónica de potencia, se utiliza otra versión del esquema de duplicación.
El doblador, ensamblado según el esquema de Latour, tiene una gran capacidad de carga. Cada uno de los capacitores está bajo voltaje de entrada, por lo tanto, en términos de peso y tamaño, esta opción también supera a la anterior. Durante el semiciclo positivo, el condensador C1 se carga, durante el negativo - C2. Los condensadores están conectados en serie y, en relación con la carga, en paralelo, por lo que el voltaje en la carga es igual a la suma voltaje de capacitores cargados. La frecuencia de ondulación es igual al doble de la frecuencia de la tensión de red, y el valor depende del valor de las capacidades. Cuanto más grandes son, menos ondulación. Y aquí es necesario encontrar un compromiso razonable.
La desventaja del circuito es la prohibición de conectar a tierra uno de los terminales de carga; en este caso, uno de los diodos o condensadores estará en cortocircuito.
Este circuito se puede conectar en cascada cualquier número de veces. Entonces, repitiendo el principio de inclusión dos veces, puede obtener un circuito con voltaje cuádruple, etc.
El primer capacitor en el circuito debe soportar el voltaje de la fuente de alimentación, el resto, el doble del voltaje de suministro. Todas las válvulas deben estar clasificadas para doble voltaje inverso. Por supuesto, para un funcionamiento fiable del circuito, todos los parámetros deben tener un margen de al menos el 20%.
Si no hay diodos adecuados, se pueden conectar en serie; en este caso, el voltaje máximo permitido aumentará en un factor de 1. Pero en paralelo con cada diodo, se deben conectar resistencias de ecualización. Esto debe hacerse, porque de lo contrario, debido a la dispersión de los parámetros de las válvulas, el voltaje inverso puede distribuirse de manera desigual entre los diodos. El resultado puede ser el exceso del mayor valor de uno de los diodos. Y si cada elemento de la cadena se desvía con una resistencia (su valor debe ser el mismo), entonces el voltaje inverso se distribuirá exactamente igual. La resistencia de cada resistencia debe ser unas 10 veces menor que la resistencia inversa del diodo. En este caso, se minimizará el efecto de elementos adicionales en el funcionamiento del circuito.
Es poco probable que se necesite una conexión en paralelo de diodos en este circuito, las corrientes aquí son pequeñas. Pero puede ser útil en otros circuitos rectificadores donde la carga consume mucha energía. La conexión en paralelo multiplica la corriente permitida a través de la válvula, pero todo arruina la desviación de los parámetros. Como resultado, un diodo puede recibir la mayor cantidad de corriente y no soportarla. Para evitar esto, se coloca una resistencia en serie con cada diodo.
El valor de la resistencia se elige de modo que, a la corriente máxima, la caída de voltaje sea de 1 voltio. Entonces, a una corriente de 1 A, la resistencia debe ser de 1 ohm. La potencia en este caso debe ser de al menos 1 vatio.
En teoría, la multiplicidad de voltaje se puede aumentar indefinidamente. En la práctica, debe recordarse que la capacidad de carga de tales rectificadores cae bruscamente con cada etapa adicional. Como resultado, puede llegar a una situación en la que la caída de voltaje en la carga exceda el factor de multiplicación y haga que la operación del rectificador no tenga sentido. Esta desventaja es inherente a todos estos esquemas.
A menudo, estos multiplicadores de voltaje se fabrican como un solo módulo con un buen aislamiento. Se utilizaron dispositivos similares, por ejemplo, para crear alto voltaje en televisores u osciloscopios con un tubo de rayos catódicos como monitor. También se conocen esquemas de duplicación que utilizan estranguladores, pero no han recibido distribución: las piezas de bobinado son difíciles de fabricar y su funcionamiento no es muy confiable.
Hay muchos circuitos rectificadores. Dado el amplio alcance de este nodo, es importante abordar la elección del circuito y el cálculo de los elementos de manera consciente. Solo en este caso se garantiza una operación larga y confiable.
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