Historisch gesehen ist es rentabler und billiger, Strom in Form von Wechselstrom zu erhalten, der von Kraftwerksgeneratoren erzeugt wird. Eine solche Darstellung ermöglichte es, sie über große Entfernungen effizient zu übertragen. Am Empfangsende wurde es in eine für Verbraucher geeignete einphasige Spannung umgewandelt und in dieser Form in die Stromleitung eingespeist. Die internen Schaltkreise der meisten modernen Leistungsempfänger benötigen jedoch eine konstante Stromversorgung, deren Wert aus einer Standardwertserie von 5, 9, 12, 24, 36 oder 48 Volt ausgewählt wird. Um sie zu erhalten, musste ein spezieller Spannungsgleichrichter (zum Beispiel 24 Volt) in die Schaltung elektronischer Geräte eingeführt werden.
Das Funktionsprinzip des Gleichrichters
Um das Funktionsprinzip eines Gleichrichters klar zu verstehen, müssen Sie zunächst berücksichtigen, dass Halbleiterelemente (Dioden) zur Gleichrichtung einer Wechselspannung verwendet werden. Ihr Unterscheidungsmerkmal ist die Fähigkeit, Strom nur in eine Richtung zu leiten. Aufgrund dieser Eigenschaft nimmt die am Ausgang an sie angelegte Wechselspannung die Form positiver Welligkeiten an, wobei die unteren Hälften der Halbschwingungsperiode abgeschnitten sind. Bei positiven Halbwellen fließt ein Strom durch die Diode, der die Grundlage für die Bildung einer konstanten Stromversorgung bildet. Um es zu erhalten, werden zusätzliche elektrische Elemente benötigt.
Jeder Stromgleichrichter enthält die folgenden Hauptknoten:
- Ein Abwärtstransformator, der 220 Volt in den gewünschten Wert umwandelt;
- eine Reihe von Dioden (Brücke);
- Glättungs- (Filter-) Kondensator;
- Stabilisator auf Basis von Transistorelementen.
Es gibt viele Optionen für elektronische Gleichrichter, die sich in Anzahl und Art des Anschlusses der Dioden sowie in ihren Betriebsparametern unterscheiden. Von besonderem Interesse sind die verschiedenen Ansätze zur Aufnahme von Diodenelementen in die Schaltung. Die Stabilisierungskaskade der Gleichrichtervorrichtung ist auf Transistorschaltern aufgebaut, die als elektronische Relais bezeichnet werden.
Arten von Gleichrichtern
Abhängig von der Methode zum Einschalten von Halbleiterdioden werden alle Wechselstromgleichrichter in die folgenden Typen unterteilt:
- Halbwelle (Halbwelle);
- Zwei-Halbwelle (Vollwelle mit einem Mittelpunkt oder Mitkevich-Schema);
- Gretzbrücke oder Gleichrichter;
- Gleichrichter mit Verdoppelung der Betriebsspannung und andere, weniger gebräuchliche Stromkreise.
Das Halbwellenschalten ist die einfachste Methode zur Gleichrichtung von Wechselstrom. Ein anderer Name ist Nullgleichrichterschaltung.
Mit Geräten dieser Klasse ist es möglich, nur einen pulsierenden (nur halb verwendeten) Ausgangsstrom zu erhalten. Schemata, die auf dem Halbwellenprinzip basieren, zeichnen sich durch eine geringe Umwandlungseffizienz aus und werden selten verwendet. Ihre Halbwellen-Gegenstücke umfassen zwei Dioden und sorgen für eine Halbwellengleichrichtung beider Polaritäten. Sie sind effizienter und werden in einfachen Netzteilen verwendet.
Einphasen-Brückengleichrichter, die sogenannten Gretz-Schaltungen mit 4 Dioden, zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der als Wirkungsgrad der Nutzung der vom Transformator empfangenen Leistung verstanden wird.
Die Spannung am Ausgang der Halbleitergleichrichterbrücken ist eine gute Grundlage für die anschließende Glättung und Stabilisierung - um Gleichstrom zu erhalten.
Sie werden häufig in Geräten mit erhöhter Energieintensität wie Generatoren mit Ausgangsspannungen von zehn bis Hunderten von Volt verwendet. Ihre Vorteile umfassen:
- niedrige Sperrspannung (Volta-Fraktionen);
- kleine Abmessungen;
- hohe Effizienz bei der Verwendung eines Transformators (im Vergleich zum Mitkevich-Schema).
Ein wesentlicher Nachteil von Brückenschaltungen ist der doppelte Spannungsabfall an den Dioden, der sie zwingt, die Ausgangsparameter des Transformators während ihrer Entwicklung mit einem gewissen Spielraum auszuwählen. Dieser Teil der Nutzleistung geht dann an den Übergängen der vier Dioden verloren.
Arten von Gleichrichtern nach Funktionalität
Bekannte Gleichrichterproben werden je nach Zweck und Funktionalität in einphasige und dreiphasige Bauelemente unterteilt. Ersteres wird in Stromnetzen von Mehrfamilienhäusern und Privathäusern eingesetzt und dient zur Stromversorgung von Haushaltsgeräten. Das zweite ist ein elektronisches Modul mit 3 Einheiten des gleichen Typs, das nach einem der folgenden Schemata hergestellt wird:
- Einzyklusgleichrichter;
- Push-Pull-Systeme;
- kombinierte Module: mit zwei dreiphasigen Wicklungen mit Parallel- und Reihenschaltung von Dioden.
Die Verwendung von Einzelzyklus-Transformationsschemata ist aufgrund des geringen Wirkungsgrads der gleichgerichteten Spannung begrenzt. Ihre Push-Pull-Analoga werden häufig in Gleichstrommotoren und anderen elektrischen Maschinen verwendet, deren Design Bürstenbaugruppen enthält. Neben den klassischen Gleichrichtern für den Einbau in Kommutatormotoren gibt es Schemata, mit denen die Ausgangsspannung um ein Vielfaches erhöht werden kann. Ein Sonderfall solcher Lösungen ist ein Spannungsverdopplungsgleichrichter.
Die Gleichrichterschaltung mit Spannungsverdopplung unterscheidet sich nur im Detail von den bereits in Betracht gezogenen Optionen. Solche Geräte werden üblicherweise als Multiplikatoren bezeichnet, die leicht mit ihren eigenen Händen zusammengebaut werden können.
Grundlegende Beziehungen bei der Berechnung des Gleichrichters
Um einen als Beispiel ausgewählten 2-Halbwellengleichrichter zu berechnen, müssen Sie die folgenden Anfangsdaten kennen:
- Eingangsspannung, die in der Sekundärwicklung des Transformators wirkt;
- Strom in Dioden, die im Stromkreis unter Berücksichtigung der Last fließen;
- Kapazität eines Elektrolytkondensators, ausgewählt basierend auf einem gegebenen Welligkeitsglättungskoeffizienten;
- maximale Spannung darauf.
Es ist wichtig, den Spannungsabfall an Festkörperdioden im offenen Zustand zu berücksichtigen.
Die berechneten Verhältnisse für diesen Fall sind in der folgenden Form dargestellt.
- Der Strom in der Transformatorwicklung entspricht in seiner Größe seinem Maximalwert in der Last (Iobm = Inagr).
- Die Spannung in der Sekundärwicklung im Leerlauf beträgt U2≈ 0,75Uload.
- Es wird empfohlen, Gleichrichterdioden mit den folgenden Parametern zu verwenden: Ureb> 3.14Unag und Imax> 1.57Inag.
Gleichrichter werden häufig in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt, einschließlich moderner Steuerungssysteme. Daher ist es so wichtig zu verstehen, was Stromgleichrichter sind und welche Varianten sie verwenden, um die effizientesten Schaltkreise zu bauen.
