Τα πιο κοινά σχήματα διόρθωσης AC σε DC
Ο ανορθωτής είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα. Οι ανορθωτές βασίζονται σε συσκευές ημιαγωγών με μονής όψης αγωγιμότητα - διόδους και θυρίστορ.
Σε χαμηλή ισχύ φορτίου (έως αρκετές εκατοντάδες watt), η μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μονοφασικούς ανορθωτές. Τέτοιοι ανορθωτές έχουν σχεδιαστεί για να τροφοδοτούν διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές με συνεχές ρεύμα, περιελίξεις διέγερσης κινητήρων DC μικρής και μεσαίας ισχύος κ.λπ.
Για την ευκολότερη κατανόηση της λειτουργίας των κυκλωμάτων ανορθωτή, θα προχωρήσουμε από τον υπολογισμό ότι ο ανορθωτής λειτουργεί με ωμικό φορτίο.
Μονοφασικό κύκλωμα ανόρθωσης ημικυμάτων (μονόκυκλο).
Το σχήμα 1 δείχνει το απλούστερο κύκλωμα ανόρθωσης. Το κύκλωμα περιέχει έναν ανορθωτή που συνδέεται μεταξύ της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή και του φορτίου.
Εικόνα 1 - Μονοφασικός ανορθωτής ημικυμάτων: α) κύκλωμα - δίοδος ανοιχτό, β) κύκλωμα - δίοδος κλειστό, γ) διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας
Η τάση u2 αλλάζει με ημιτονοειδές τρόπο, δηλ.περιέχει θετικά και αρνητικά μισά κύματα (μισές περιόδους). Το ρεύμα στο κύκλωμα φορτίου διέρχεται μόνο σε θετικούς μισούς κύκλους όταν εφαρμόζεται θετικό δυναμικό στην άνοδο της διόδου VD (Εικ. 1, α). Με την αντίστροφη πολικότητα της τάσης u2, η δίοδος είναι κλειστή, το ρεύμα στο φορτίο δεν ρέει, αλλά η αντίστροφη τάση Urev εφαρμόζεται στη δίοδο (Εικ. 1, β).
Τσε. μόνο ένα μισό κύμα της δευτερεύουσας τάσης περιέλιξης απελευθερώνεται σε όλο το φορτίο. Το ρεύμα στο φορτίο ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση και είναι συνεχές ρεύμα, αν και έχει παλμικό χαρακτήρα (Εικ. 1, γ). Αυτή η μορφή τάσης (ρεύμα) ονομάζεται παλμός DC.
Οι διορθωμένες τάσεις και ρεύματα περιέχουν ένα στοιχείο DC (χρήσιμο) και ένα στοιχείο AC (κυματισμοί). Η ποιοτική πλευρά της λειτουργίας του ανορθωτή αξιολογείται από τη σχέση μεταξύ του χρήσιμου στοιχείου και της διέγερσης τάσης και ρεύματος. Ο συντελεστής κυματισμού αυτού του κυκλώματος είναι 1,57. Η μέση τιμή της διορθωμένης τάσης για την περίοδο Un = 0,45U2. Η μέγιστη τιμή της αντίστροφης τάσης της διόδου Urev.max = 3,14Un.
Το πλεονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι η απλότητά του, τα μειονεκτήματα: κακή χρήση του μετασχηματιστή, μεγάλη αντίστροφη τάση της διόδου, υψηλός λόγος κυματισμού της ανορθωμένης τάσης.
Μονοφασικό κύκλωμα ανορθωτή γέφυρας
Αποτελείται από τέσσερις διόδους συνδεδεμένες σε ένα κύκλωμα γέφυρας. Η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή συνδέεται στη μία διαγώνιο της γέφυρας και το φορτίο στην άλλη (Εικ. 2). Το κοινό σημείο των καθόδων των διόδων VD2, VD4 είναι ο θετικός πόλος του ανορθωτή, το κοινό σημείο των ανόδων των διόδων VD1, VD3 είναι ο αρνητικός πόλος.
Σχήμα 2-Μονοφασικός ανορθωτής γέφυρας: α) θετικό κύκλωμα ανόρθωσης μισού κύματος, β) αρνητική ανόρθωση μισού κύματος, γ) διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας
Η πολικότητα της τάσης στο δευτερεύον τύλιγμα αλλάζει με τη συχνότητα του δικτύου τροφοδοσίας. Οι δίοδοι σε αυτό το κύκλωμα λειτουργούν σε ζεύγη σε σειρά. Στο θετικό μισό κύκλο της τάσης u2, οι δίοδοι VD2, VD3 φέρουν ρεύμα και η αντίστροφη τάση εφαρμόζεται στις διόδους VD1, VD4 και κλείνουν. Κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου της τάσης u2, το ρεύμα ρέει μέσω των διόδων VD1, VD4 και οι δίοδοι VD2, VD3 είναι κλειστές.Το ρεύμα φορτίου ρέει συνεχώς προς μία κατεύθυνση.
Το κύκλωμα είναι πλήρους κύματος (push-pull), καθώς και οι δύο μισές περίοδοι της τάσης δικτύου Un = 0,9U2, ο συντελεστής κυματισμού — 0,67 κατανέμονται στο φορτίο.
Η χρήση ενός κυκλώματος γέφυρας μεταγωγής διόδου επιτρέπει τη χρήση ενός μονοφασικού μετασχηματιστή για την ανόρθωση δύο ημικύκλων. Επιπλέον, η αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο είναι 2 φορές μικρότερη.
Οι καταναλωτές μεσαίας και υψηλής ισχύος τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα από τριφασικοί ανορθωτές, η χρήση του οποίου μειώνει το φορτίο ρεύματος στις διόδους και μειώνει τον παράγοντα κυματισμού.
Τριφασικό κύκλωμα ανορθωτή γέφυρας
Το κύκλωμα αποτελείται από έξι διόδους, οι οποίες χωρίζονται σε δύο ομάδες (Εικ. 2.61, α): κάθοδοι — δίοδοι VD1, VD3, VD5 και άνοδοι VD2, VD4, VD6. Το φορτίο συνδέεται μεταξύ των σημείων σύνδεσης των καθόδων και των ανόδων των διόδων, δηλ. στη διαγώνιο της όρθιας γέφυρας. Το κύκλωμα συνδέεται με ένα τριφασικό δίκτυο.
Σχήμα 3 — Τριφασικός ανορθωτής γέφυρας: α) κύκλωμα, β) διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας
Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, το ρεύμα φορτίου ρέει μέσω δύο διόδων.Στην ομάδα καθόδου, η δίοδος με το υψηλότερο δυναμικό ανόδου λειτουργεί κατά τη διάρκεια κάθε τρίτου της περιόδου (Εικ. 3, β). Στην ομάδα ανόδου, σε αυτό το τμήμα της περιόδου, λειτουργεί η δίοδος της οποίας η κάθοδος έχει το μεγαλύτερο αρνητικό δυναμικό. Κάθε μία από τις δίοδοι λειτουργεί για το ένα τρίτο της περιόδου. Ο συντελεστής κυματισμού αυτού του κυκλώματος είναι μόνο 0,057.
Ελεγχόμενοι ανορθωτές - ανορθωτές που μαζί με τη διόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης (ρεύμα), παρέχουν ρύθμιση της τιμής της διορθωμένης τάσης (ρεύματος).
Οι ελεγχόμενοι ανορθωτές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ταχύτητας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, της φωτεινότητας της λάμψης των λαμπτήρων πυρακτώσεως, κατά τη φόρτιση μπαταριών κ.λπ.
Τα ελεγχόμενα κυκλώματα ανορθωτή είναι χτισμένα σε θυρίστορ και βασίζονται στον έλεγχο της ροπής ανοίγματος των θυρίστορ.
Το σχήμα 4α δείχνει ένα διάγραμμα ενός μονοφασικού ελεγχόμενου ανορθωτή. Για τη δυνατότητα διόρθωσης δύο ημικυμάτων της τάσης του δικτύου, χρησιμοποιείται μετασχηματιστής με διφασική δευτερεύουσα περιέλιξη, στον οποίο σχηματίζονται δύο τάσεις με αντίθετες φάσεις. Ένα θυρίστορ είναι ενεργοποιημένο σε κάθε φάση. Ο θετικός μισός κύκλος της τάσης U2 ανορθώνει το θυρίστορ VS1, το αρνητικό - VS2.
Το κύκλωμα ελέγχου CS παράγει παλμούς για το άνοιγμα των θυρίστορ. Ο χρονισμός του παλμού ανοίγματος καθορίζει πόσο από το μισό κύμα απελευθερώνεται στο φορτίο. Το θυρίστορ ανοίγει όταν υπάρχει θετική τάση στην άνοδο και παλμός ανοίγματος στο ηλεκτρόδιο ελέγχου.
Εάν ο παλμός φτάσει τη στιγμή t0 (Εικ. 4, b), το θυρίστορ είναι ανοιχτό για ολόκληρο τον μισό κύκλο και η μέγιστη τάση στο φορτίο, εάν τις στιγμές t1, t2, t3, τότε μόνο μέρος της τάσης του δικτύου είναι απελευθερώνεται στο φορτίο.
Σχήμα 4 — Μονοφασικός ανορθωτής: α) κύκλωμα, β) διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας
Η γωνία καθυστέρησης, που μετράται από τη στιγμή της φυσικής ανάφλεξης του θυρίστορ, εκφρασμένη σε μοίρες, ονομάζεται γωνία ελέγχου ή ρύθμισης και συμβολίζεται με το γράμμα α. Αλλάζοντας τη γωνία α (μετατόπιση φάσης των παλμών ελέγχου σε σχέση με την τάση των ανοδίων των θυρίστορ), αλλάζουμε το χρόνο της ανοιχτής κατάστασης των θυρίστορ και, κατά συνέπεια, τη διορθωμένη τάση στο φορτίο.