БСЭ1/Выпрямители

Материал из Wikilivres.ru
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Выпрямители
Большая советская энциклопедия (1-е издание)
Brockhaus Lexikon.jpg Словник: Волчанка — Высшая. Источник: т. XIII (1929): Волчанка — Высшая, стлб. 755—760


ВЫПРЯМИТЕЛИ, электрические системы, пропускающие ток только в одном направлении. При наложении на выпрямитель переменного напряжения в цепи протекает пульсирующий постоянный (прямой) ток. По основному принципу конструкции В. делятся на вакуумные, газовые, электролитические и твердые. Действие вакуумных В. основано на том, что электроны из холодных металлов не могут переходить в вакуум, в то время как переход в обратном направлении возможен. Этого рода В., т. н. кенотроны, состоят из двух металлических электродов, запаянных в хорошо эвакуированный сосуд. Одному из электродов придают форму нити, температура которой протекающим по ней от самостоятельного источника током может быть доведена до 2.000—3.000°. Так как металлы при высоких температурах излучают электроны, то ток через кенотрон проходит только тогда, когда накаленная нить является катодом; ток в обратном направлении равен нулю. Кенотроны применяются для выпрямления перемен. токов высокого напряжения—до 250.000 вольт, с нагрузкой до 0,3 ампера.

Действие газовых В. основано на различных закономерностях, сопровождающих явление ударной ионизации газов (см.). Вследствие ударной ионизации концентрация ионов меняется в междуэлектродном пространстве, и у катода, откуда начинается ионизация, поле должно быть больше, чем в остальных частях; здесь образуется т. н. катодное падение потенциала. В разреженных газах это падение потенциала не зависит от давления газа и определяется только его природой и материалом катода; не зависит оно также и от силы тока, но до тех лишь пор, пока свечение не покроет всей поверхности электрода (область нормального падения потенциала от 60 до 200 вольт). При дальнейшем возрастании силы тока падение потенциала начинает также возрастать (область аномального падения потенциала от 200 до 1.000 вольт), пока, наконец, разряд не переходит в дугу. Эти явления используются для конструирования В. след. образом. В стеклянную, наполненную газом трубку впаиваются электроды из различного материала и различной площади. Электрод с большой площадью делается из материала с малым нормальным падением потенциала. Когда он служит катодом, то сопротивление трубки мало, т. к. на газ приходится большое падение потенциала; когда ток идет в обратном направлении, то у электрода с малой площадью возникает аномально большое падение потенциала, и ток почти не проходит через систему. Большой электрод делается из щелочных и щелочноземельных металлов; трубки наполняются аргоном (давление 5 мм) или смесью неона и гелия (давление 10 мм); максимальная нагрузка В.—0,2 ампера.

Дуговой разряд в газе, характеризующийся высокой температурой катода, также может быть использован для конструирования В. Раскаленный катод излучает электроны, к-рые, соударяясь с молекулами газа, создают громадное число ионов; число же ионов при холодном катоде очень мало, т. к. мало число первоначальных ионизирующих зарядов. Обычная вольтова дуга, электроды к-рой сделаны из угля и металла, при включении ее в цепь переменного тока, выпрямляет его, так как температура угля значительно выше температуры металлического электрода, что объясняется, прежде всего, плохой теплопроводностью угля по сравнению с металлом, а также неустойчивостью дуги на металлическом электроде из-за плавления последнего. Вольтова дуга как выпрямитель неудобна из-за сгорания электродов и большого падения потенциала в самой дуге. От этих недостатков свободны получившие большое распространение в технике вакуумные ртутные В., в к-рых дуга горит между раскаленным ртутным катодом и холодным металлическим анодом; дуга зажигается с помощью особых приспособлений. Явление искрового разряда в газах также используется для выпрямления тока. Разряд между плоским электродом и электродом, имеющим форму острия, начинается при меньших напряжениях, когда положительный полюс лежит на острие. Этот В. употребляется в случаях высокого напряжения.

Электролитические В. состоят из алюминиевого и железного электродов, погруженных в растворы солей и кислот, при электролизе которых на аноде выделяется кислород. Когда анодом служит алюминий, то на нем при прохождении тока образуется непроводящий слой окислов, и сопротивление системы сильно возрастает; при перемене направления тока слой разрушается, и сопротивление выпрямителя мало. Система выпрямляет только в пределах некоторых определенных напряжений, выше которых слой окислов пробивается, и в обе стороны проходит большой ток. Величина критического напряжения определяется природой раствора.

Твердые В. и детекторы собираются из сернистых соединений тяжелых металлов () и их окисей (). В детекторах одним электродом служит острие, другим—пластина большой поверхности. Через В. проходит больший ток, когда катодом служит острие. Механизм выпрямления различен в электронно- и ионно-проводящих солях. В первых у острия, по предположению Шоттке, создается большое поле, вырывающее из металла острия электроны, но недостаточное для вырывания их из соли; поэтому сила тока в БСЭ1. Выпрямители 1.jpgВыпрямительное устройство высокого напряжения системы В. Вологдина уст. на Московской Октябрьской Радиостанции. Мощн. выпрям. тока 40 kW, 12.000 V. случае, когда катодом служит пластина, меньше, чем при катоде, лежащем на острие. Твердые ионные В. характеризуются ростом дендритов; металл на катоде при прохождении тока выделяется в них в виде тонких нитей (дендритов), уменьшающих с течением времени сопротивление образца. Механизм выпрямления обусловлен различной скоростью роста дендритов с острия и большого электрода; при катоде на острие дендриты растут быстрее, и сопротивление В. меньше, чем в обратном случае. Твердые В. на токи от 1 до 4 ампер и напряжения до 6 вольт строятся из с электродами, равными по площади, но сделанными из разного материала. Выпрямление объясняется здесь теми же причинами, что и в детекторах с ионно-проводящими солями; один из электродов делается из металла (магний, алюминий, тантал), покрытого слоем окислов; такой электрод аналогичен ряду острий, т. к. ток проходит лишь в точках, где слой окислов разрушен.

Технические применения В. Широкое применение В. началось после того, как в электротехнике получил распространение переменный ток. Первоначально в тех случаях, где необходим был прямой (постоянный) ток (для возбуждения генераторов переменного тока, для зарядки аккумуляторов, электролиза и т. п.), применялись механич. В.—коммутаторы (см.)—и электролитические В. Как те, так и другие страдают рядом недостатков, из-за которых они в настоящее время почти совершенно оставлены в промышленной практике. БСЭ1. Выпрямители 2.jpgРис. 1. Зависимость к.п.д. умформеров от нагрузки. Важнейшим недостатком механических В. является искрение, имеющее место при каждом изменении характера нагрузки, т. к. при этом изменяется фаза тока, и переключения производятся узко не при нулевом токе. Другим дефектом выпрямителе и этого типа является недостаточно высокая, по сравнению с другими системами, отдача, а главное—большая зависимость отдачи от нагрузки. Так, если одноякорный преобразователь (умформер) имеет при полной нагрузке коэффициент полезн. действия 93%, то при ¼ нагрузки этот коэффициент падает до 75% (см. рисунок 1). Недостатком электролитич. В. является их неустойчивость и низкий коэффициент полезного действия. Лишь в самое последнее время обе указанные системы начинают возрождаться, но уже основанные на совершенно иных идеях.

Наиболее широко распространенным в технике типом В. являются ртутные В., изобретенные в 1902 Купер-Гюитом. В них катодом служит ртуть, а анодом—электроды из графита или железа; электроды помещены в замкнутое пространство, эвакуированное до давления ниже мм ртутного столба. БСЭ1. Выпрямители 3.jpgРис. 2. Зависимость к.п.д. ртутного выпрямителя от напряжения. При работе В. сосуд с электродами заполняется парами ртути; на катоде образуется светлое пятно с температурой около 3.000°. Это пятно и служит источником электронов, переносящих ток лишь в одном направлении. Отдача ртутных В. вообще весьма велика и мало зависит от нагрузки (если, например, коэффициент полезного действия при полной нагр. 94%, то при ¼ нагрузки он равен 92%). Особенно велика отдача ртутных В. при повышенном напряжении; например, при 1.650 вольтах коэффициент полезного действия равен 96%, а при 120 вольтах он падает до 80% (см. рис. 2). Другие преимущества ртутных В. заключаются в их способности выносить мгновенные перегрузки, в простоте и быстроте пуска в ход без синхронизации и поляризации и в независимости от частоты питающего тока; ртутные выпрямители работают без шума и сотрясений, что дает возможность устанавливать их вблизи жилых помещений.БСЭ1. Выпрямители 4.jpgРис. 3. Общий вид мощной выпрямительной установки с железными выпрямителями.

Первоначально ртутные В. изготовлялись из железа, и высокий вакуум в них поддерживался ртутными и масляными насосами.БСЭ1. Выпрямители 5.jpgРис. 4. Колба ртутного выпрямителя на 100 A, до 500 V. Около 1910 были сделаны первые крупные промышленные установки такого типа (рис. 3); однако, широкому распространению их мешала недостаточная надежность работы, являющаяся следствием нарушения высокого вакуума. При этом нарушении происходят «обратные зажигания» в В., т. е. ток проходит и в обратном направлении; в сети получается короткое замыкание, и установка выходит из работы. После изучения вопросов получения высокого вакуума и создания надежных конструкций ртутные В. быстро получили широкое распространение в Америке и Европе;БСЭ1. Выпрямители 6.jpgРис. 5a. Выпрямительная установка на 20 A, 220 V. Вид спереди. в последние годы они начали применяться и в СССР. После войны начали изготовлять ртутные В. со стеклянными баллонами; они работают без насоса, поддерживающего вакуум. Такого типа В. строятся в настоящее время уже на мощность до 2.000 ампер, постепенно вытесняя металлические В. из областей все большей мощности. Каждая колба (рисунок 4) дает возможность выпрямлять ток силой до 350 и даже до 500 ампер. Преимущества стеклянных В. перед металлическими заключаются в дешевизне, простоте обслуживания и возможности увеличения мощности установки путем прибавления более мелких единиц. Особенно пригодны стеклянные В. для управления на расстоянии, т. к. они не требуют ухода за собой. Как стеклянные, так и металлические ртутные В. чувствительны к понижению температуры ниже +12° и потому должны устанавливаться в отапливаемых помещениях.

Наибольшее применение получили ртутные В. на подстанциях, питающих трамваи и электрические железные дороги; здесь они все больше вытесняют вращающиеся преобразователи.БСЭ1. Выпрямители 7.jpgРис. 5b. Та же установка. Вид сзади. В Союзе ССР высоковольтные ртутные В. (стеклянные) получили применение для питания ламповых передатчиков, которые строятся на напряжение 10.000—12.000 вольт при мощности до 300 kW. Отдача таких В. достигает 99%. Затруднения, возникавшие в результате неустойчивости работы В. при высоких напряжениях, в последнее время преодолены благодаря работам наших лабораторий.

Из других типов высоковольтных В. отметим часто применяющиеся вакуумные В. с накаленным катодом, т. н. кенотроны. Они изготовляются из стекла с мощностью до 3 kW и из железа с мощностью до 20 kW. Отдача кенотронных установок часто падает до 60%, вследствие больших расходов энергии на накал катода и вследствие большого падения напряжения внутри кенотрона (это падение составляет от 200 до 1.000 вольт, тогда как ртутные выпрямители имеют падение около 25 вольт).

Мощные В. работают обычно в многофазной схеме, т. к. в этом случае выпрямленный ток имеет меньшую глубину пульсаций и их большую частоту; это дает возможность сглаживать пульсации включением в катодную цепь дросселей. Трансформаторы выпрямительных установок обычно используются весьма плохо; поэтому их следует брать приблизительно на 50% большей мощности, чем выпрямленная. Коэффициент мощности установки колеблется от 0,8 до 0,9. Падение напряжения выпрямлен, тока можно сделать при изменении нагрузки весьма большим, включая в анодную цепь дросселя; этим пользуются при зарядке аккумуляторов для автоматического повышения напряжения выпрямленного тока.

Для зарядки малых аккумуляторов, особенно для нужд радиолюбителей, теперь часто применяют В. с накаленным катодом, работающим в атмосфере благородного газа. Такие В. строятся на нагрузку от 1 до 10 ампер и на напряжение от 4 до 120 вольт. Падение напряжения в них составляет ок. 15 вольт; поэтому отдача при низких напряжениях невелика.

Лит.: Белявский А. Г., Ртутные выпрямители переменного тока, Ростов н/Дону, 1927 (подр. указ, лит.); Курбатов С. И., Ртутные выпрямители, М., 1927; Günter-Schulzе A., Elektrische Gleichrichter und Ventile, München, 1924; Jolley L. B. W., Alternating Current Rectification and allied Problems, L., 1928 (подр. указ, лит.); Prince D. C. and Vogdes F. B., Principles of Mercury Arc Rectifiers and their Circuits, N. Y., 1927; Müller G., Quecksilberdampf-Glasgleichrichter, B., 1924; Müller K., Der Quecksilberdampf-Gleichrichter, Berlin, 1925.