ตัวเรียงกระแส

อุปกรณ์ Rectifier

ก่อนการพัฒนาของ rectifier ที่ใช้สารกึ่งตัวนำซิลิกอน, หลอดสูญญากาศแบบ thermionic ไดโอดและชั้นของ rectifier โลหะทองแดงออกไซด์ หรือ ซีลีเนียมถูกนำมาใช้ หลังจากการเริ่มใช้สารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์, ตัวเรียงกระแสหลอดสูญญากาศกลายเป็นสิ่งล้าสมัย ยกเว้นสำหรับ ผู้ที่ชื่นชอบบางคนในเครื่องเสียงหลอดสูญญากาศ. สำหรับการเรียงกระแสจากพลังงานต่ำมากไปื่พลังงานสูงมาก สารกึ่งตัวนำไดโอดชนิดต่าง ๆ (junction ไดโอด, Schottky ไดโอด ฯลฯ) จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลาย อุปกรณ์อื่นๆที่มีขั้วไฟฟ้าทำหน้าที่ควบคุมและทำหน้าที่เป็นวาล์วของกระแสแบบทิศทางเดียวถูกนำมาใช้ ในที่ซึ่งต้องการการทำงานที่มากกว่าการเรียงกระแสที่เรียบง่ายเท่านั้น เช่นต้องการแรงดันที่ออกมาสามารถเปลี่ยนค่าได้ ตัวเรียงกระแสพลังงานสูง เช่นที่เคยใช้ในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง จะใช้อุปกรณ์กึ่งตัวนำซิลิคอน หลายชนิด ซึ่งได้แก่ thyristors หรือสวิทช์ solid-state อื่น ๆ ที่ทำงานเป็นไดโอด ที่จะผ่านกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วงจรเรียงกระแส

วงจรเรียงกระแส อาจจะเป็นเฟสเดียวหรือหลายเฟส (ส่วนใหญ่ สามเฟส) วงจรเรียงกระแส พลังงานต่ำส่วนใหญ่สำหรับอุปกรณ์ภายในบ้าน จะเป็นเฟสเดียว แต่วงจรเรียงกระแสสามเฟสเป็นสิ่งสำคัญมาก สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและ สำหรับการส่งผ่านพลังงาน DC (อังกฤษ: High Voltage Direct Current Transmission System) หรือ HVDC

วงจรเรียงกระแสแบบเฟสเดียว

วงจรเรียงกระแสนั้นจะมีไดโอดเป็นตัวเรียงกระแส สามารถแบ่งได้ดังนี้

วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น

วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นใช้ไดโอดอย่างน้อย 2 ตัว หลักการทำงานคือ เหมือนแบบครึ่งคลื่น แต่หม้อแปลงมีเซ็นเตอร์แทป ก็เหมือนมีวงจรครึ่งคลื่น 2 วงจร กล่าวคือ เมื่อครึ่งคลื่นที่เป็นบวก หมายถึง ขาบนเป็นบวก ที่เซ็นเตอร์แทปด้านบนเป็นลบเมื่อเทียบกับขาบน แต่เป็นบวกเมื่อเทียบกับขาล่าง ขาล่างสุดจึงเป็นลบเมื่อเทียบกับขาบนสุดและเซ็นเตอร์แทป กระแสไหลผ่านไดโอด D1 กลับมาที่เซ็นเตอร์แทป แค่ครึ่งเดียวของแรงดันทั้งหมด ในทางกลับกัน ในรูปคลื่นลบ หมายถึงขาบนสุดเป็นลบ ขาล่างสุดเป็นบวก กระแสไหลผ่านไดโอด D2 อีกครึ่งหนึ่ง
ตัวเรียงกระแสเต็มคลื่นแปลงสัญญาณอินพุททั้งหมดให้มีเอาต์พุตเป็นกระแสไฟฟ้าเพียงขั้วเดียว (บวกหรือลบ) ตัวเรียงกระแสเต็มคลื่นแปลงขั้วทั้งสองของสัญญาณอินพุทให้เป็นกระแสตรงที่ เต้นเป็นจังหวะ และ ให้ผลตอบแทนถัวเฉลี่ยแรงดันที่สูงขึ้น วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นธรรมดาจะประกอบด้วยไดโอดสองตัว,หม้อแปลงที่มีจุดแยกกลาง(อังกฤษ: center tap) หนึ่งตัว (หรือสี่ตัวในวงจรแบบสะพาน) และแหล่งจ่ายไฟ AC (ที่ประกอบด้วยหม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่มี center tap) ไดโอดอาจเป็นแบบไดโอดเซมิคอนดักเตอร์เดี่ยวๆ หรือไดโอดคู่ที่เป็นแบบแคโทดร่วมหรือแอโหนดร่วมและ สี่ไดโอดสะพาน ที่ถูกผลิตมาเป็นชิ้นส่วนเดียว
ตัวเรียงกระแสแบบหลอดสูญญากาศสองไดโอดที่ธรรมดามากประกอบด้วยแคโทดร่วมตัวเดียวกับสอง anodes ภายในหลอดเดียว ที่ทำให้ได้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่มีเอาต์พุตเป็นบวก หลอดเบอร์ 5U4 และ 5Y3 เป็นตัวอย่างที่เป็นที่นิยมของวงจรแบบนี้

วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์เต็มคลื่น

วงจรเรียงกระแสแบบสะพานใช้ไดโอด 4 ตัว และหม้อแปลงที่ไม่มี center tap หลักการทำงานคือเมื่อขาบนเป็นบวก ขาล่างเป็นลบ กระแสไหลผ่านไดโอด 2 ตัวนอก เมื่อคลื่นลบ ขาบนเป็นลบ ขาล่างเป็นบวก กระแสไหล ไดโอด 2 ตัวกลาง ได้กระแสไฟเต็มที่ ไม่ต้องแบ่งสองส่วนเหมือนเต็มคลื่นธรรมดา
ค่าเฉลี่ยและค่า root-mean-square ของ output voltage ของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่ no-load ตามทฤษฎี คือ:

วงจรเรียงกระแสแบบสามเฟส

เช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสเฟสเดียว วงจรเรียงกระแสสามเฟสสามารถใช้รูปแบบของวงจร ครึ่งคลื่น, วงจรแบบเต็มคลื่นโดยใช้หม้อแปลง center tap และแบบสะพานเต็มคลื่น. thyristors จะถูกใช้กันโดยทั่วไปแทนที่ไดโอด เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต. อุปกรณ์จำนวนมาก ที่สร้าง กระแสสลับ (บางอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า alternator) สร้างไฟ AC สามเฟส. ตัวอย่างเช่น กระแสสลับในรถยนต์ มีหกไดโอดอยู่ภายใน ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น สำหรับชาร์จแบตเตอรี่

วงจรสามเฟสครึ่งคลื่น

วงจรสามเฟสครึ่งคลื่นที่ควบคุมไม่ได้ ต้องใช้ไดโอดสามตัว ตัวละหนึ่งเฟส วงจรแบบนี้เป็นชนิดที่ง่ายที่สุดของวงจรเรียงกระแสสามเฟส แต่ต้องทนจากความเพี้ยนที่ค่อนข้างสูง ทั้ง AC และ DC.

วงจรสามเฟสเต็มคลื่นโดยใช้หม้อแปลง center tap

rectifier แบบนี้จำเป็นต้องใช้ไดโอดหกตัว แต่ละตัวต่อกับปลายแต่ละด้านของแต่ละขดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า. วงจรนี้มีหมายเลขพัลส์เป็นหก และอาจจะคิดว่า เป็นวงจรหกเฟส ครึ่งคลื่น
ก่อนที่อุปกรณ์ solid state จะพร้อมใช้ วงจรครึ่งคลื่นและวงจรเต็มคลื่นที่ใช้หม้อแปลง center tap มักถูกใช้ในอุตสาหกรรม โดยใช้ตัวเรียงกระแส วาล์วปรอทอาร์ค. เป็นอย่างนี้เพราะแหล่งจ่าย AC อินพุท สามหรือหก AC อินพุท สามารถถูกจ่ายให้เป็นตัวเลขที่สอดคล้องกันของขั้วไฟฟ้าขั้วบวกบนถังเดียวร่วมกับแคโทด
กับการถือกำเนิดของไดโอด และ thyristors วงจรเหล่านี้ได้กลายเป็นที่นิยมน้อยลงและวงจร สะพานสามเฟสได้กลายเป็นวงจรที่พบบ่อยที่สุด

วงจรสะพานสิบสองพัลส์

แม้ว่าวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นหกพัลส์ จะดีกว่าวงจรเรียงกระแสเฟสเดียว หรือสามเฟสก็ตาม วงจรเรียงกระแสดังกล่าวยังคงผลิตความเพี้ยนมากบนทั้ง AC และ DC สำหรับทุกๆวงจรเรียงกระแสกำลังสูงมากมักจะใช้วงจรแบบสะพานสิบสองพัลส์ ซึ่งประกอบด้วยวงจรสะพานหกพัลส์สองวงจรต่ออนุกรมกัน โดยมีแหล่งจ่ายไฟ AC จากหม้อแปลงที่ให้เฟสห่าง 30° ระหว่างสองสะพานนั้น ด้วยวิธีนี้ ฮาโมนิคหลายคุณลักษณะที่ผลิตโดยวงจรสะพานหกพัลส์จะถูกหักล้างกันไป
เฟสที่ห่างกัน 30 องศาปกติสามารถทำได้ โดยการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดทุติยภูมิสองชุด ชุดหนึ่งต่อแบบสตาร์ และอีกชุดหนึ่งต่อแบบเดลต้า

วงจรเรียงกระแสแรงดันไฟฟ้าทวีคูณ

ลองนึกภาพของวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นซึ่งมีสองแบบตามที่กล่าวไว้ในบทก่อนหน้านี้ว่า มีแบบครึ่งคลื่นบวก และแบบครึ่งคลื่นลบ ถ้านำสองแบบมาต่อขนานกัน จะได้วงจรทวีคูณสองเท่า ตามรูปประกอบ เป็นวงจรสะพานเต็มคลื่นธรรมดา ถ้าสวิตช์ open ก็จะได้ DC เอาต์พุตเท่ากับค่า peak ของ AC อินพุท ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 เก็บประจุคนละครึ่ง แต่ถ้าสวิตช์ close วงจรนี้จะกลายเป็นวงจรครึ่งคลื่นต่อขนานกัน กระแสจะลัดวงจรทันที โดยเมื่อคลื่นเป็นบวก ก็จะชาร์จ C1 เท่ากับค่า peak, พอคลื่นเป็นลบ ก็ชาร์จ C2 เท่ากับค่า peak เหมือนกัน, ทำให้ DC เอาต์พุต เท่ากับ สองเท่าของค่า peak
ไดโอดและตัวเก็บประจุสามารถนำมาต่อกันเป็นวงจรทวีคูณตามรูป วงจรพวกนี้สามารถผลิตเอาต์พุตที่มีแรงดัน DC นับสิบเท่าของแรงดันพีคของไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า แต่มีข้อจำกัดในความจุของกระแสและการควบคุม วงจรแรงดันไฟฟ้าทวีคูณด้วย Diode, มักจะใช้เป็นตัวขับช่วงปลาย หรือแหล่งจ่ายแรงดันหลักสูง (HV) ที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟเลเซอร์ HV, จ่ายไฟให้อุปกรณ์ต่างๆ เช่นหลอดรังสีแคโทด (อังกฤษ: Cathode Ray Tube) หรือ CRT (เหมือนกับที่ใช้ในโทรทัศน์, จอแสดงผลเรดาร์และโซนาร์), อุปกรณ์ขยายโฟตอน ที่พบในเครื่องภาพที่เรียกว่า photo multiplier tubes (PMT) และ อุปกรณ์ความถี่วิทยุแบบ magnetron ที่ใช้ในการส่งสัญญาณเรดาร์ และเตาอบไมโครเวฟ

การสูญเสียในวงจรเรียงกระแส

วงจรเรียงกระแสของจริง จะมีลักษณะที่ตัดบางส่วนของแรงดันไฟฟ้าอินพุท (แรงดันไฟฟ้าจะตกลง สำหรับอุปกรณ์ซิลิคอน ประมาณ 0.7 โวลต์บวกกับความต้านทานที่เทียบเท่า)และที่ความถี่สูงจะบิดเบือนรูปคลื่น และกระจายความร้อน

การทำเอาต์พุตให้เรียบ

ในขณะที่วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น และแบบเต็มคลื่น สามารถผลิตกระแสทิศทางเดียวแต่แรงดันไฟฟ้าที่ได้ยังไม่คงที่. เพื่อผลิต DC มั่นคง, ต้องใช้วงจรที่ทำแรงดันไฟฟ้านี้ให้เรียบ หรือที่เรียกว่าวงจร filter. ในรูปแบบง่ายที่สุด filter นี้จะเป็นเพียงแค่ตัวเก็บประจุสำรองพลังงานที่ต่ออยู่ที่ DC เอาต์พุตเท่านั้น แต่จะยังคงมีส่วนประกอบของระลอกคลื่นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ที่มีความถี่เท่ากับแหล่งจ่ายไฟสำหรับวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น, หรือสองเท่าของความถี่นั้น สำหรับแบบเต็มคลื่น, ซึ่งแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะยังไม่ได้เรียบอย่างสมบูรณ์
ขนาดของตัวเก็บประจุสำรองพลังงานมีข้อดีข้อเสีย ถัตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่ จะช่วยลดการกระเพื่อม แต่จะ เสียค่าใช้จ่ายมากขึ้นและจะสร้างกระแสพีคที่สูงขึ้นในหม้อแปลงของแหล่งจ่ายไฟหลัก กระแสพีคตามหลักการถูกกำหนดโดย อัตราการเพิ่มของแรงดันจ่ายบนขอบที่กำลังเพิ่มของคลื่นไซน์ขาเข้า, แต่ในทางปฏิบัติมันจะถูกทำให้ลดลงโดยความต้านทานของขดลวดหม้อแปลง ในกรณีสุดขีด ที่วงจรเรียงกระแสจำนวนมากจ่ายโหลดเข้าสู่วงจรกระจายพลังงาน กระแสสูงสุดอาจก่อให้เกิด ความยากลำบากในการรักษาแรงดันรูปไซน์อย่างถูกต้องในแหล่งจ่าย AC
เพื่อจำกัดการกระเพื่อมให้มีค่าที่ต้องการ ขนาดของตัวเก็บประจุสำรองพลังงานที่ใช้จะเป็นสัดส่วนกับกระแสในโหลด และแปรผกผันกับความถี่แหล่งจ่ายและจำนวนยอดเอาต์พุตของ rectifier ต่อ input cycle. กระแสโหลดและความถี่แหล่งจ่ายโดยทั่วไปมักจะอยู่นอกเหนือการควบคุมของนักออกแบบระบบ rectifier แต่จำนวนยอดต่อรอบอินพุทได้รับผลกระทบโดยทางเลือกของการออกแบบวงจรเรียงกระแส
วงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น จะให้หนึ่งยอดต่อรอบ และด้วยเหตุผลนี้ มันจึงถูกใช้เฉพาะกับแหล่งจ่ายไฟขนาดเล็กมาก วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นจะมีสองยอดคลื่นต่อรอบ ซึ่งดีที่สุดที่เท่าที่เป็นไปได้สำหรับอินพุตเฟสเดียว สำหรับอินพุทสามเฟส สะพานสามเฟสจะให้หกยอดต่อรอบ จำนวนยอดสามารถทำให้มากขึ้นได้ โดยการใช้เครือข่ายหม้อแปลง วางไว้ก่อน rectifier เพื่อแปลงเฟสให้เป็นลำดับที่สูงขึ้น
เพื่อลดการกระเพื่อมต่อไปอีก, ตัวกรองแบบตัวเหนี่ยวนำสามารถนำมาใช้ อุปกรณ์นี้ต่อหลังตัวเก็บประจุสำรองพลังงาน และตามด้วยตัวเก็บประจุตัวที่สอง ตัวเหนี่ยวนำให้อิมพีแดนซ์สูงกับกระแส ripple ซึ่งจะกั้นไม่ให้กระแส ripple ที่มีความถี่สูงผ่าน กระแสโหลดที่เป็น DC สามารถไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำนี้ได้เพราะอิมพีแดนซ์เป็น 0 ใน DC สำหรับการใช้งานกับความถี่ของไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำจำเป็นต้องมีแกนเป็นเหล็ก หรือวัสดุแม่เหล็กอื่นๆ ซึ่งเพิ่มน้ำหนักและขนาด เพราะฉะนั้นการใช้งานของมันในแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงลดลงในความโปรดปรานของวงจรสารกึ่งตัวนำ เช่น voltage regulators
ทางเลือกที่ดีกว่าการกรองปรกติ, และเป็นสิ่งสำคัญถ้า DC โหลดต้องการ ripple ที่ต่ำมาก, คือวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่า regulator ต่อหลังตัวเก็บประจุสำรองพลังงาน ตัวเก็บประจุสำรองพลังงานจะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะป้องกันไม่ให้ระลอกคลื่นแรงดันไฟฟ้า ตกต่ำกว่าแรงดันขั้นต่ำที่กำหนดโดยตัว regulator ในการผลิตแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ ตัว regulator ให้บริการทั้งลดการกระเพื่อม และการจัดการกับการเปลี่ยนแปลงในแหล่งจ่ายไฟหลัก และในโหลด ที่สุดขีดของวิธีการ นี้ คือการไม่ใช้ตัวเก็บประจุสะสมพลังงานทั้งหมดและป้อนคลื่นที่เรียงกระแสแล้วตรงเข้าไปในตัวกรองเหนี่ยวนำเลย ความได้เปรียบของวงจรนี้ก็คือรูปแบบของคลื่นกระแสจะเรียบเนียนกว่า และเป็นผลให้วงจรเรียงกระแสไม่ต้องปฏิสัมพันธ์กับกระแสที่เป็นพัลส์ขนาดใหญ่อีกต่อไป แต่กระแสจะไหลแผ่กระจายไปทั่วทั้งวงจรแทน ข้อเสียที่นอกเหนือจากขนาดและน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นแล้ว คือ แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะต่ำลงมาก - เฉลี่ยแล้วประมาณ ครึ่งรอบ AC ไม่ใช่ค่า peak

การนำไปประยุกต์ใช้งาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดต้องใช้ไฟ DC ดังนั้นวงจรเรียงกระแสถูกใช้ในแหล่งจ่ายไฟของ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทั้งหมด
การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงจากแรงดันไฟฟ้าหนึ่ง ไปยังอีกแรงดันไฟฟ้า มีความซับซ้อนมากขึ้น วิธีการหนึ่งของการแปลง DC-to-DC คือขั้นแรก แปลง DC ไปเป็น AC ก่อน(โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า อินเวอร์เตอร์) จากนั้นใช้หม้อแปลงเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า และในที่สุดก็ rectifies กลับไปที่ DC. ความถี่ของไฟ AC ที่ถูกแปลงในขั้นตอนแรกมีค่าหลายสิบกิโลเฮิรตซ์ เพื่อจะสามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำมีขนาดเล็กกว่า และ หลีกเลี่ยงการใช้ แกนเหล็กที่หนัก ขนาดใหญ่ และมีราคาแพง
วงจรเรียงกระแสยังใช้ในการตรวจหาสัญญาณวิทยุแบบ AM สัญญาณอาจถูกขยายก่อนการตรวจสอบ. ถ้าไม่ทำอย่างนั้น ต้องใช้ไดโอดที่มีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ต่ำมาก หรือ ใช้ไดโอดที่ถูก bias ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่คงที่. เมื่อใช้ rectifier สำหรับการ demodulation ตัวเก็บประจุและความต้านทานโหลด จะต้องมีการจับคู่อย่างระมัดระวัง เพราะถ้าความจุต่ำเกินไป จะส่งผลให้คลื่นพาหะความถี่สูงผ่านไปออกที่ลำโพง แต่ถ้าสูงเกินไป จะส่งผลให้ตัวเก็บประจุทำงานแค่ชาร์จประจุที่เป็นสัญญาณข้อความนั้น สัญญาณข้อความก็จะไม่ออกลำโพง
วงจรเรียงกระแสจะถูกใช้ในการจ่ายแรงดันที่ polarised สำหรับการเชื่อม ในวงจรดังกล่าว กระแสเอาต์พุตจะต้องถูกควบคุม ซึ่งบางครั้ง ทำได้โดยการแทนที่ไดโอดบางตัวใน rectifier แบบสะพานด้วย thyristors ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ นี้ทำงานเหมือนไดโอดได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยที่แรงดันเอาต์พุตของมัน สามารถถูกควบคุมโดยการเปิดและปิดด้วยการควบคุมองศาการยิง
Thyristors ถูกนำมาใช้ในระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟที่ใช้ไฟฟ้ากระแสตรง ไฟ DC จะจ่ายให้หัวรถจักรผ่านสายเหนือศีรษะหรือรางที่สามเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า AC สำหรับการควบคุมอย่างละเอียดในการฉุดมอเตอร์ลาก ตัวอย่างเช่น รถไฟยูโรสตาร์จะใช้มอเตอร์ลากแบบสามเฟส

เครื่องกลไฟฟ้า

ก่อนปี 1905 เมื่อตัวเรียงกระแสแบบหลอดได้รับการพัฒนา อุปกรณ์แปลงพลังงานถูกออกแบบเป็นเครื่องกลไฟฟ้าอย่างเดียวเลย โดยใช้บางรูปแบบของการหมุน หรือ การสั่นเรโซแนนซ์ (เช่น vibrators) ขับเคลื่อนโดยแม่เหล็กไฟฟ้าไปทำให้สวิตช์หรือตัวสับทาง เปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแส
ตัวเรียงกระแสแบบเครื่องกลเหล่านี้มีเสียงดัง และต้องการการบำรุงรักษาสูง ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวจะมีแรงเสียดทาน ซึ่งจำเป็นต้องหล่อลื่น และถอดเปลี่ยนถ้าสึกหรอ การเปิดหน้าสัมผ้สที่เป็นเชิงกลขณะทำงานเป็นผลให้เกิดประกายไฟ ที่ร้อนและกัดเซาะหน้าสัมผัส หน้าสัมผัสดังกล่าวยังไม่สามารถรับมือกับความถี่ไฟ AC ที่มากกว่าหลายพันรอบต่อวินาทีอีกด้วย

ตัวเรียงกระแสแบบสั่น

ตัวเรียงกระแสแบบสั่นประกอบด้วยหน้าสัมผ้สเล็กๆหนึ่งตัว ถูกทำให้สั่นโดยสนามแม่เหล็กสลับที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ, ต่อกับหน้าสัมผัสที่กลับทิศทางกระแสให้ไหลตรงกันข้ามในช่วงครึ่งลบของวงรอบ อุปกรณ์พวกนี้ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์พลังงานต่ำ เช่น ตัวชาร์จแบตเตอรี่ ที่เรียงกระแสแรงดันต่ำที่ผลิตโดยหม้อแปลงไฟฟ้าแบบ step-down. การนำไปใช้อีกแบบหนึ่งคือ ในแหล่งจ่ายไฟแบตเตอรี่ สำหรับวิทยุหลอดสุญญากาศแบบพกพา เพื่อจ่าย แรงดัน DC สูงสำหรับหลอดเหล่านี้ การดำเนินการแบบนี้จะเป็นรูปแบบเชิงกลของการทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่ใช้สวิตชี่งแบบ solid state สมัยใหม่ โดยจะใช้ร่วมกับหม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันของแบตเตอรี่ ร่วมกับชุดของหน้าสัมผ้สที่เป็นตัวสั่นในแกนของหม้อแปลงที่จะสั่นตามสนามแม่เหล็กในหม้อแปลงนั้น การสั่นซ้ำไปซ้ำมาจะตัดกระแสตรงของแบตเตอรี่เพื่อสร้าง AC พัลส์ให้หม้อแปลงไฟฟ้า แล้วตัวเรียงกระแสแบบหน้าสัมผ้สชุดที่สองบนตัวไวเบรเตอร์จะเรียงกรแสแรงดันไฟฟ้า AC สูงจากขดทุติยภูมิของหม้อแปลงให้เป็น DC

ชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, หรือตัวแปลงโรตารีที่คล้ายกัน ไม่เชิงเป็นตัวเรียงกระแส แต่มันสร้าง DC จาก AC ใน"ชุด M-G" เพลาของมอเตอร์ AC ต่อเข้ากับเพลาเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสตรง เมื่อมอเตอร์หมุน กระแสสลับจะเกิดขึ้นในขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ผ่านตัวสลับ(อังกฤษ: commutator)ออกมาเป็นกระแสตรง หรือถ้าใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar ก็ไม่จำเป็นต้องใช้ commutator ชุด MG มีประโยชน์สำหรับการผลิต DC เพื่อมอเตอร์ลากของรถไฟไฟฟ้าหรือเพื่อชาร์จแบตเตอรีในรถยนต์ไฟฟ้าขณะเบรกในการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ ในระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟ ในมอเตอร์อุตสาหกรรมและ ในงานที่ใช้กระแสสูง และเป็นเรื่องธรรมดาในการใช้งาน DC พลังงานสูงหลายอย่าง (เช่น โคมไฟคาร์บอน-อาร์ค สำหรับจอฉายภาพยนตร์กลางแจ้ง) ก่อนที่จะสารกึ่งตัวนำพลังงานสูงจะมีใช้อย่างกว้างขวาง

ตัวเรียงกระแสแบบ electrolytic

ตัวเรียงกระแสแบบ electrolytic เป็นอุปกรณ์เมื่อต้นศตวรรษที่ยี่สิบที่ไม่ได้ใช้แล้ว รุ่นทำที่บ้านเป็นภาพประกอบในหนังสือ The Boy Mechanic ปี 1913 แต่ มันจะเหมาะสมกับการใช้งานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมาก เนื่องจาก breakdown voltage มีค่าต่ำ และมีความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อต อุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากกว่าได้รับการจดสิทธิบัตรโดย G. W. Carpenter ในปี 1928 (สหสิทธิบัตรสหรัฐที่ 1671970)
เมื่อโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน ลอยอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลท์ กระแสตรงที่ไหลผ่านสารละลายนี้ทางหนึ่งสะดวกกว่าอีกทางหนึ่ง ตัวเรียงกระแสแบบอิเล็กโทรไลทิกส่วนใหญ่จะใช้อะลูมิเนียมเป็นขั้วบวกและตะกั่วหรือเหล็กเป็นแคโทด แขวนลอยอยู่ในสารละลายของไตร แอมโมเนียม ออร์โธ-ฟอสเฟต
การเรียงกระแสเกิดขึ้นบนเคลือบบางๆของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์บนขั้วไฟฟ้าอะลูมิเนียม เป็นรูปเป็นร่างโดย การจ่ายกระแสแรงๆให้กับเซลล์ เพื่อเคลือบก่อนเป็นสิ่งแรก กระบวนการเรียงกระแสมีความไวต่ออุณหภูมิ และเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงที่สุด ไม่ควรดำเนินการที่อุณหภูมิมากกว่า 86°F (30°C) นอกจากนี้ยังมี breakdown voltage ที่การเคลือบจะทะลุลงไป ทำให้เซลล์ลัดวงจร วิธีการไฟฟ้าเคมีมักจะเปราะบางกว่าวิธีเชิงกล และมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลง การใช้งานอย่างมาก ซึ่งสามารถเปลี่ยนกระบวนการเรียงกระแสอย่างมากหรือทำลายกระบวนการเรียงกระแสอย่างสิ้นเชิง
อุปกรณ์อิเล็กโทรไลทิคที่คล้ายกัน ถูกนำมาใช้เป็นตัวป้องกันฟ้าผ่าในราวยุคเดียวกัน โดยการแขวนกรวยอะลูมิเนียมจำนวนมากในถังใส่สารละลาย ไตรแอมโมเนียม ออร์โธฟอสเฟต ซึ่งแตกต่างจากตัวเรียงกระแส ดังกล่าวด้านบน ที่ใช้แต่ขั้วไฟฟ้าอะลูมิเนียมเท่านั้น และใช้ใน AC ไม่มีการ polarization ซึ่งหมายความว่าไม่มีการเรียงกระแส แต่ปฏิกิริยาเคมีคล้ายคลึงกัน
ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลติคที่ทันสมัย ซึ่ง​​เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของวงจรเรียงกระแสส่วนใหญ่ ได้รับการพัฒนาจากการเรียงกระแสแบบอิเล็กโทรไลติค

ปรอทอาร์ก

อุปกรณ์เรียงกระแส ที่ใช้ในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง(HVDC) และกระบวนการทาง อุตสาหกรรม ระหว่างปี 1909-1975 คือวาล์วปรอทอาร์ก อุปกรณ์ถูกบรรจุอยู่ในภาชนะแก้วโป่งหรืออ่างโลหะขนาดใหญ่ ขั้วหนึ่งเป็นแคโทดจะจมอยู่ในกองของปรอทเหลว ที่ด้านล่างของอ่าง และอีกขั้วหนึ่งเป็นกราไฟท์ความบริสุทธิ์สูง ที่เรียกว่า anodes จะ แขวนอยู่เหนือกองปรอทเหลวนั้น อาจจะมีขั้วไฟฟ้าเสริมหลายตัวเพื่อ ช่วยในการเริ่มต้น และรักษาระดับการอาร์ก เมื่อการอาร์กไฟฟ้าเกิดขึ้น ระหว่างแคโทดและ แอโนด กระแสของอิเล็กตรอนจะไหลจาก แคโทด ไป anodes ผ่านปรอทที่แตกตัวเป็นไอออน แต่ไม่ไหลในทางตรงกันข้าม (ในหลักการ นี้คือการทำงานที่พลังงานสูงที่ทำให้เกิดเปลวไฟได้, ซึ่งใช้คุณสมบัติของพลาสม่าของการส่งกระแสทางเดียวแบบเดียวกันที่โดยธรรมชาติแล้วทำให้เกิดเปลวไฟ)
อุปกรณ์เหล่านี้สามารถนำมาใช้ที่พลังงานในระดับหลายร้อยกิโลวัตต์ และอาจถูกสร้างขึ้นมาเพื่อรับมือกับกระแส AC 1-6 เฟส ตัวเรียงกระแสปรอทอาร์กถูกแทนที่ด้วยซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์และ วงจรเรียงกระแสพลังงานสูงด้วย thyristor ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ตัวเรียงกระแสปรอทอาร์กที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่เคยสร้างมา ได้รับการติดตั้งในโครงการไฮโดรแห่งแม่น้ำเนลสันมลรัฐแมนิโทบา ซึ่งเป็นแบบ Bipole HVDC มีความสามารถรวมมากกว่า 1 GW และ 450 kV.

หลอดอิเล็กตรอนก๊าซอาร์กอน

ตัวเรียงกระแส Tungar ของบริษัท General Electric เป็นอุปกรณ์หลอดอิเล็กตรอนก๊าซอาร์กอน ที่มีไส้หลอดทังสเตนเป็นขั้วลบและ ปุ่มคาร์บอนเป็นขั้วบวก มันทำงานคล้ายกับหลอดสุญญากาศไดโอด thermionic แต่ก๊าซในหลอดจะแตกตัวเป็นไอออน ในระหว่างการนำกระแสไปข้างหน้า ทำให้มันมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมต่ำมาก มันจึงสามารถเรียงกระแสที่แรงดันไฟฟ้าต่ำได้ มันถูกใช้สำหรับชาร์จแบตเตอรี่ และการใช้งานที่คล้ายกันตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1920 จนกระทั่งตัวเรียงกระแสโลหะที่ต้นทุนต่ำกว่าและหลังจากนั้นสารกึ่งตัวนำไดโอดเข้ามาแทนที่ ตัวเรียงกระแสแบบนี้สามารถสร้างแรงดันได้ไม่กี่ร้อยโวลต์และไม่กี่แอมแปร์ และในบางจะทำงานคล้ายกับหลอดไฟส่องสว่างแบบมีใส้ที่มีขั้วไฟฟ้าเพิ่มเท่านั้น
0Z4 เป็นหลอดเรียงกระแสแบบเติมก๊าซที่ใช้กันทั่วไปในวิทยุติดรถยนต์ที่ใช้หลอดสูญญากาศ ในช่วงปี 194X และ 195X มันเป็นหลอด rectifier แบบเต็มคลื่นธรรมดาที่มีสอง anodes และ หนึ่งแคโทด แต่ก็ไม่ซ้ำกับไครที่ว่า มันไม่มีใส้หลอด (มันจึงมีเลข"0"ที่บอกตัวเลขของชนิด นำหน้า) ขั้วไฟฟ้าถูกทำให้มีรูปร่างแบบว่า แรงดันไฟฟ้า breakdown กลับทางจะสูงกว่า แรงดันไฟฟ้า breakdown ไปข้างหน้ามากๆ เมื่อไรก็ตามที่แรงดันไฟฟ้า breakdown เกิน, 0Z4 จะเปลี่ยนสถานะไปเป็น ความต้านทานต่ำที่มี แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมไปข้างหน้าประมาณ 24 โวลต์

หลอดสูญญากาศ (วาล์ว)

หลอดสุญญากาศไดโอด thermionic เดิมเรียกว่าเฟลมมิ่งวาล์ว ถูกคิดค้นโดยจอห์น แอมโบรส เฟลมมิ่ง ในปี 1904 เพื่อเป็นเครื่องตรวจจับคลื่นวิทยุในเครื่องรับวิทยุและพัฒนาเป็นตัวเรียงกระแสทั่วไป ประกอบด้วยหลอดแก้วสุญญากาศที่มีไส้หลอดทำให้ร้อนจากกระแสที่แยกต่างหาก และขั้วบวกแผ่นโลหะ ไส้หลอดปล่อยอิเล็กตรอนแบบ thermionic (เอดิสันเอฟเฟค)ที่ถูก ค้นพบโดย โทมัส เอดิสัน ในปี 1884 และแรงดันบวกบนจานทำให้เกิดกระแสของอิเล็กตรอน ไหล จากใส้หลอดไปที่จาน เนื่องจากใส้หลอดเท่านั้นที่ผลิตอิเล็กตรอน หลอดจึงมีกระแสไหล ในทิศทางเดียวเท่านั้น หลอดจึงเรียงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรงได้
ตัวเรียงกระแสไดโอดหลอดสูญญากาศถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแหล่งจ่ายไฟใน ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่ใช้หลอดสูญญากาศ เช่นเครื่องอัดเสียง วิทยุ และโทรทัศน์ ตัวอย่างเช่นเครื่องรับวิทยุของ ออลอเมริกันไฟฟ์, เพื่อให้แรงดันจาน DC สูง ที่จำเป็นสำหรับหลอดสูญญากาศอื่นๆ ตัวเรียงกระแสสูญญากาศถูกสร้างสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก เช่นแหล่งจ่ายไฟแรงดันสูงสำหรับหลอดรังสีแคโทดของเครื่องรับโทรทัศน์ และ kenotron ที่ใช้สำหรับจ่ายไฟในอุปกรณ์เอ็กซ์เรย์ อย่างไรก็ตามตัวเรียงกระแสสูญญากาศมีความต้านทานภายในสูง เนื่องมาจากประจุในพื้นที่ว่างซึ่งไปทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมมีค่าสูง และมีผลทำให้เกิดความร้อนสูงและประสิทธิภาพจึงต่ำ อุปกรณ์นี้แทบจะไม่สามารถรับมือกับกระแสเกิน 250 mA เนื่องจากขีดจำกัดของการกระจายพลังงานความร้อนของแผ่นจาน และไม่สามารถใช้ กับงานแรงดันต่ำ เช่นชาร์จแบตเตอรี่ ข้อจำกัดของหลอดสุญญากาศอีกประการหนึ่งคือแหล่งจ่ายไฟของใส้หลอดมักจะต้องเตรียมการเป็นพิเศษเพื่อกันมันให้ห่างจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงของวงจรเรียงกระแส

ตัวเรียงกระแสที่ใช้คริสตัล

เครื่องตรวจจับหนวดแมวเป็นสารกึ่งตัวนำไดโอดชนิดที่เก่าแก่ที่สุด มักจะทำจากคริสตัลของกาลีนา(ไดอ๊อกไซด์ของตะกั่ว)กับลวดสปริงเบาสัมผัสพื้นผิวของมัน ประดิษฐ์คิดค้นโดย Jagadish จันทรา โบส และพัฒนาโดย GW Pickard ในราวปี 1906 ใช้เป็นตัวเรียงกระแสคลื่นวิทยุ ในเครื่องรับวิทยุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสมัยแรก ที่เรียกว่าวิทยุคริสตัล ความเปราะบางและความจุของกระแสไฟฟ้าที่จำกัด ทำให้มันไม่เหมาะสำหรับนำไปใช้ในแหล่งจ่ายไฟ มันเริ่มกลายเป็นสิ่งล้าสมัยในราวปี 1920 แต่รุ่นที่ใหม่กว่าทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับและเครื่องผสมสัญญาณไมโครเวฟ ในเครื่องรับสัญญาณเรดาร์ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2

ตัวเรียงกระแสแบบซีลีเนียมและทองแดงออกไซด์

ตัวเรียงกระแสแบบนี้ครั้งหนึ่งเคยเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันโดยทั่วไป จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยตัวเรียงกระแสที่ใช้ solid state ซิลิคอนที่ขนาดกะทัดรัดและราคาถูกกว่า อุปกรณ์นี้ใช้แผ่นโลหะเรียงกันเป็นชั้นๆ และใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่ทำด้วยซีลีเนียมหรือทองแดงออกไซด์. ในขณะที่ตัวเรียงกระแสซีลีเนียมมีน้ำหนักเบาและใช้พลังงานน้อยกว่าตัวเรียงกระแสหลอดสุญญากาศ แต่มีข้อเสียที่อายุการใช้งานที่สั้น ความต้านทานสูงขึ้นตามอายุการใช้งานและเหมาะที่จะใช้กับความถี่ต่ำเท่านั้น อย่างไรก็ตามทั้งแบบซีลีเนียมและแบบทองแดงออกไซด์ มีความอดทนค่อนข้างดีต่อจากแรงดันไฟฟ้ากระชากสั้นๆ ดีกว่าตัวเรียงกระแสซิลิคอน
โดยปกติตัวเรียงกระแสแบบนี้ถูกสร้างขึ้นจากแผ่นโลหะที่ต่อกันแบบอนุกรม แต่ละแผ่นโลหะทำหน้าที่เป็นเซลล์ไฟฟ้ามีแรงดันประมาณ 20 โวลต์ ตัวชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์อาจใช้เพียงหนึ่ง เซลล์: แหล่งจ่ายไฟแรงดันสูงสำหรับหลอดสูญญากาศอาจมีหลายสิบแผ่นเรียงกัน ความหนาแน่นของกระแสของตัวเรียงกระแสที่ใช้ซีลีเนียมแบบระบายความร้อนด้วยอากาศหนึ่งชุดอยู่ที่ประมาณ 600 mA ต่อตารางนิ้ว(หรือประมาณ 90 mA ต่อตารางเซนติเมตร)

ไดโอดที่ใช้สารซิลิกอนและเจอร์เมเนียม

ในโลกสมัยใหม่, ซิลิคอนไดโอดเป็นตัวเรียงกระแสส่วนใหญ่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแรงดันไฟฟ้าและพลังงานที่ต่ำ และมาแทนที่ไดโอดเจอร์เมเนียมที่ใช้ก่อนหน้านี้ สำหรับแรงดันไฟฟ้าและพลังงานที่สูงมาก ความสามารถในการควบคุมจึงเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องมีเพิ่มในการปฏิบัติ ทำให้ซิลิคอนไดโอดธรรมดาถูกแทนที่ด้วย thyristors พลังงานสูง (ดูด้านล่าง) และญาติของแบบควบคุมประตูของพวกมัน

Thyristors (SCR) และซิลิกอนรุ่นใหม่พลังงานสูง

ในการใช้งานพลังงานสูงระหว่าปี 1975-2000 ตัวเรียงกระแสวาล์วปรอทอาร์กส่วนใหญ่ ถูกแทนที่ด้วยชั้นของ thyristors กำลังสูงมาก อุปกรณ์นี้เป็นประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำซิลิกอนเพิ่มอีกสองชั้นเมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดธรรมดา
ในการใช้งานพลังงานขนาดกลาง แม้แต่ระบบเรียงกระแสแบบสารกึ่งตัวนำซิลิกอนแบบ ตัวแปลงแหล่งจ่ายแรงดัน(อังกฤษ: voltage sourced converter) หรือ VSC ที่ซับซ้อนและสมรรถนะสูง เช่นทรานซิสเตอร์สองขั้วประตูฉนวน (อังกฤษ: Insulated Gate Bipolar Transistor) หรือ IGBT และ thyristors ประตูเปิดปิด (อังกฤษ: Gate Turn-off Thyristor) หรือ GTO ได้ทำให้ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูงที่มีขนาดเล็กมีราคาประหยัด อุปกรณ์เหล่านี้ทั้งหมดทำงานเป็นตัวเรียงกระแส
ณ ปี 2009 มัน เป็นที่คาดว่า "สวิตช์ที่สลับด้วยตัวเอง"ซิลิกอนกำลังสูงเหล่านี้ หรือที่เฉพาะเจาะจงคือ IGBT และ thyristor ที่แปรเปลี่ยน(ที่เกี่ยวข้องกับ GTO) ที่เรียกว่า Integrated gate-commutated Thyristor (IGCT) จะเพิ่มความจุพลังงานไปยังจุดที่ในที่สุดมันจะเข้ามาแทนที่ thyristor ธรรมดา ที่ใช้ในวงจรเรียงกระแส AC สำหรับการส่งผ่านพลังงานสูงสุดของการใช้งาน DC.

การวิจัยในปัจจุบัน

พื้นที่หลักของการวิจัยคือการพัฒนาตัวเรียงกระแสความถี่สูงขึ้น ที่สามารถเรียงกระแสที่ความถี่ระดับล้านล้านเฮิร์ตซ์และความถี่แสง อุปกรณ์เหล่านี้จะนำมาใช้ในการตรวจจับ heterodyne ออปติคอล ซึ่งมีการใช้งานมากมายในการสื่อสารใยแก้วนำแสง และนาฬิกาอะตอม. โปรแกรมอื่นที่คาดหวังสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวคือ การเรียงคลื่นแสงที่รับจากเสาอากาศเล็กๆ ที่เรียกว่า nantennas เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง. อาร์เรย์ของ nantennas อาจจะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์มากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์
พื้นที่ของการวิจัยที่เกี่ยวข้องอีกอย่างหนึ่ง คือการพัฒนาตัวเรียงกระแสขนาดเล็ก เพราะอุปกรณ์ ขนาดเล็กจะมี cutoff frequency ที่สูงกว่า โครงการวิจัยกำลังพยายามที่จะพัฒนาตัวเรียงกระแสระดับโมเลกุลขนาดเล็กที่มีชีววิทยาโมเลกุลเดี่ยวที่จะทำหน้าที่เป็นตัวเรียงกระแส