A energia elétrica é convenientemente transportada e convertida em magnitude na forma de tensão alternada. É desta forma que é entregue ao consumidor final. Mas para alimentar muitos dispositivos, você ainda precisa de uma tensão constante.
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Por que precisamos de um retificador em engenharia elétrica
A tarefa de converter a tensão CA em CC é atribuída aos retificadores. Este dispositivo é amplamente utilizado, e as principais áreas de uso de dispositivos de retificação em rádio e engenharia elétrica são:
- formação de corrente contínua para instalações elétricas de potência (subestações de tração, plantas de eletrólise, sistemas de excitação de geradores síncronos) e motores de corrente contínua potentes;
- fontes de alimentação para dispositivos eletrónicos;
- detecção de sinais de rádio modulados;
- formação de uma tensão constante proporcional ao nível do sinal de entrada para a construção de sistemas automáticos de controle de ganho.
O escopo completo dos retificadores é extenso e é impossível listá-lo no âmbito de uma revisão.
Princípios de operação de retificadores
A operação de dispositivos de retificação é baseada na propriedade de condutividade unilateral dos elementos. Você pode fazer isso de diferentes maneiras. Muitas formas de aplicações industriais tornaram-se coisa do passado, como o uso de máquinas síncronas mecânicas ou dispositivos de eletrovácuo. Agora são usadas válvulas que conduzem a corrente em uma direção. Não muito tempo atrás, os dispositivos de mercúrio eram usados para retificadores de alta potência. No momento, eles são praticamente substituídos por elementos semicondutores (silício).
Circuitos retificadores típicos
O dispositivo de retificação pode ser construído de acordo com vários princípios. Ao analisar os circuitos do dispositivo, deve-se lembrar que a tensão constante na saída de qualquer retificador só pode ser chamada condicionalmente. Este nó produz uma tensão unidirecional pulsante, que na maioria dos casos deve ser suavizada por filtros. Alguns consumidores também requerem estabilização da tensão retificada.
Retificadores monofásicos
O retificador de tensão CA mais simples é um único diodo.
Ele passa as meias-ondas positivas da senóide para o consumidor e “corta” as negativas.
O escopo de tal dispositivo é pequeno - principalmente, retificadores de alimentação de comutaçãooperando em frequências relativamente altas. Embora produza corrente fluindo em uma direção, tem desvantagens significativas:
- alto nível de ondulação - para suavizar e obter corrente contínua, você precisará de um capacitor grande e volumoso;
- uso incompleto da potência do transformador abaixador (ou elevador), levando a um aumento nos indicadores de peso e tamanho necessários;
- a CEM média na saída é menos da metade da CEM fornecida;
- requisitos aumentados para o diodo (por outro lado, apenas uma válvula é necessária).
Portanto, mais difundido circuito de onda completa (ponte).
Aqui, a corrente flui através da carga duas vezes por período em uma direção:
- meia onda positiva ao longo do caminho indicado pelas setas vermelhas;
- meia onda negativa ao longo do caminho indicado pelas setas verdes.
A onda negativa não desaparece, mas também é usada, de modo que a potência do transformador de entrada é usada de forma mais completa. O EMF médio é o dobro da versão de meia onda. A forma da corrente de ondulação é muito mais próxima de uma linha reta, mas ainda é necessário um capacitor de suavização. Sua capacidade e dimensões serão menores do que no caso anterior, porque a frequência de ondulação é duas vezes a frequência da tensão da rede.
Se houver um transformador com dois enrolamentos idênticos que podem ser conectados em série ou com um enrolamento com uma derivação do meio, um retificador de onda completa pode ser construído de acordo com um esquema diferente.
Esta opção é na verdade um circuito duplo de um retificador de meia onda, mas tem todas as vantagens de um retificador de onda completa. A desvantagem é a necessidade de usar um transformador de design específico.
Se o transformador for feito em condições amadoras, não há obstáculos para enrolar o enrolamento secundário conforme necessário, mas será necessário usar ferro um pouco maior. Mas em vez de 4 diodos, apenas 2 são usados. Isso permitirá compensar a perda de peso e indicadores de tamanho e até ganhar.
Se o retificador for projetado para alta corrente e as válvulas devem ser instaladas em radiadores, a instalação da metade do número de diodos proporciona economias significativas. Também deve ser levado em consideração que tal retificador possui o dobro da resistência interna em comparação com a montada em um circuito em ponte, portanto, o aquecimento dos enrolamentos do transformador e as perdas associadas também serão maiores.
Retificadores trifásicos
Do circuito anterior, é lógico passar para um retificador de tensão trifásico, montado de acordo com um princípio semelhante.
A forma da tensão de saída é muito mais próxima de uma linha reta, o nível de ondulação é de apenas 14% e a frequência é igual a três vezes a frequência da tensão da rede.
E, no entanto, a fonte deste circuito é um retificador de meia onda, então muitas das deficiências não podem ser superadas mesmo com uma fonte de tensão trifásica. A principal delas é o uso incompleto da potência do transformador, e a CEM média é de 1,17⋅E2 eff (valor efetivo da EMF do enrolamento secundário do transformador).
Os melhores parâmetros têm um circuito de ponte trifásica.
Aqui, a amplitude da ondulação da tensão de saída é igual a 14%, mas a frequência é igual à frequência hexagonal da tensão CA de entrada, portanto, a capacitância do capacitor do filtro será a menor de todas as opções apresentadas. E a saída EMF será duas vezes maior que no circuito anterior.
Este retificador é usado com um transformador de saída com enrolamento secundário em estrela, mas o mesmo conjunto de válvulas será muito menos eficiente quando usado em conjunto com um transformador cuja saída é conectada em delta.
Aqui a amplitude e a frequência das pulsações são as mesmas do circuito anterior. Mas o EMF médio é menor do que no esquema anterior em tempos. Portanto, essa inclusão raramente é usada.
Retificadores multiplicadores de tensão
É possível construir um retificador cuja tensão de saída seja um múltiplo da tensão de entrada. Por exemplo, existem circuitos com duplicação de tensão:
Aqui, o capacitor C1 carrega durante o semiciclo negativo e é ligado em série com a onda positiva da onda senoidal de entrada. A desvantagem desta construção é a baixa capacidade de carga do retificador, bem como o fato de o capacitor C2 estar abaixo do dobro do valor da tensão. Portanto, tal circuito é usado em engenharia de rádio para retificação dupla de sinais de baixa potência para detectores de amplitude, como elemento de medição em circuitos automáticos de controle de ganho, etc.
Em engenharia elétrica e eletrônica de potência, outra versão do esquema de duplicação é usada.
O dobrador, montado de acordo com o esquema Latour, tem uma grande capacidade de carga. Cada um dos capacitores está sob tensão de entrada, portanto, em termos de peso e tamanho, esta opção também supera a anterior. Durante o semiciclo positivo, o capacitor C1 é carregado, durante o negativo - C2. Os capacitores são conectados em série e em relação à carga - em paralelo, de modo que a tensão na carga é igual à soma tensão dos capacitores carregados. A frequência de ondulação é igual a duas vezes a frequência da tensão da rede, e o valor depende do valor das capacidades. Quanto maiores eles são, menos ondulação. E aqui é necessário encontrar um compromisso razoável.
A desvantagem do circuito é a proibição de aterrar um dos terminais de carga - um dos diodos ou capacitores nesse caso estará em curto.
Este circuito pode ser colocado em cascata várias vezes. Então, repetindo o princípio da inclusão duas vezes, você pode obter um circuito com tensão quádrupla, etc.
O primeiro capacitor no circuito deve suportar a tensão da fonte de alimentação, o restante - o dobro da tensão de alimentação. Todas as válvulas devem ser classificadas para tensão reversa dupla. Obviamente, para uma operação confiável do circuito, todos os parâmetros devem ter uma margem de pelo menos 20%.
Se não houver diodos adequados, eles podem ser conectados em série - neste caso, a tensão máxima permitida aumentará em um fator de 1. Mas em paralelo com cada diodo, os resistores de equalização devem ser conectados. Isso deve ser feito, pois caso contrário, devido à dispersão dos parâmetros das válvulas, a tensão reversa pode ser distribuída de forma desigual entre os diodos. O resultado pode ser o excesso do maior valor para um dos diodos. E se cada elemento da cadeia for desviado com um resistor (seu valor deve ser o mesmo), a tensão reversa será distribuída exatamente da mesma forma. A resistência de cada resistor deve ser cerca de 10 vezes menor que a resistência reversa do diodo. Nesse caso, o efeito de elementos adicionais na operação do circuito será minimizado.
É improvável que a conexão paralela de diodos neste circuito seja necessária, as correntes aqui são pequenas. Mas pode ser útil em outros circuitos retificadores onde a carga consome muita energia. A conexão paralela multiplica a corrente permitida através da válvula, mas tudo prejudica o desvio dos parâmetros. Como resultado, um diodo pode receber mais corrente e não suportá-la. Para evitar isso, um resistor é colocado em série com cada diodo.
O valor da resistência é escolhido de modo que na corrente máxima a queda de tensão seja de 1 volt. Assim, a uma corrente de 1 A, a resistência deve ser de 1 ohm. A potência neste caso deve ser de pelo menos 1 watt.
Em teoria, a multiplicidade de tensão pode ser aumentada indefinidamente. Na prática, deve-se lembrar que a capacidade de carga desses retificadores cai drasticamente a cada estágio adicional. Como resultado, você pode chegar a uma situação em que a queda de tensão na carga excede o fator de multiplicação e torna a operação do retificador sem sentido. Essa desvantagem é inerente a todos esses esquemas.
Muitas vezes, esses multiplicadores de tensão são produzidos como um único módulo com bom isolamento. Dispositivos semelhantes foram usados, por exemplo, para criar alta tensão em televisores ou osciloscópios com um tubo de raios catódicos como monitor. Esquemas de duplicação usando bobinas também são conhecidos, mas eles não receberam distribuição - as peças de enrolamento são difíceis de fabricar e não são muito confiáveis em operação.
Existem muitos circuitos retificadores. Dada a abrangência deste nó, é importante abordar a escolha do circuito e o cálculo dos elementos de forma consciente. Somente neste caso é garantida uma operação longa e confiável.
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