Elohopeatasasuuntaaja

Elohopeatasasuuntaaja on 1900-luvun alusta 1970-luvulle asti suurjännitesähköverkoissa käytetty tasasuuntaajatyyppi. Elohopeahöyry päästää sähkövirran kulkemaan vain yhteen suuntaan, ja toimii näin tasasuuntaajana.
Toiminta.
Elohopeatasasuuntaajien toiminta perustuu suureen lasista valmistettuun tyhjiöastiaan, jonka pohjalla on katodina toimiva elohopea-allas, ja tyhjiökuvussa elohopeahöyryä. Vaihtovirta johdetaan altaassa olevaan elohopeaan, josta sähkövirta siirtyy valokaarena elohopeahöyryä pitkin ylempänä olevaan metalliseen anodiin.
Monissa elohopeatasasuuntaajissa on myös erityinen sytytysanodi varsinaisen anodin ja katodin välissä (Ignitron-tasasuuntausputken tavoin). Sytytysanodi muodostaa valokaaren katodiin ja näin ionisoi elohopeahöyryn jolloin tasasuuntain voi alkaa johtaa suurjännitettä.
Elohopeatasasuuntaajat ovat kytkettyinä ja suljettuina erillisissä metallikaapeissa. Näin tehdään luonnollisesti sähköturvallisuuden, mutta erityisesti tasasuuntaajasäiliön sisällä kipinöivien suurten valokaarien aiheuttaman UV-säteilyn haittavaikutusten eliminoimiseksi. Kaappien on myös oltava hyvin ilmastoituja, sillä elohopeatasasuuntaajien valokaaret kehittävät paljon lämpöä. Vanhanmallisten, lasisten elohopeatasasuuntaajien alla onkin sähkökäyttöinen tuuletin, joka jäähdyttää komponentteja.
Toimintakaavio.
Kuusianodinen kytkentä.
Kuvassa on toimintakaavio tyypillisestä kuusianodisesta elohopeatasasuuntaajasta kolmivaihevirralle. Kaaviossa ylinnä ovat muuntajan ensiökäämille tulevat kolmivaihelinjat R, S ja T, ja niiden alla kolmivaihemuuntajan ensiökäämitys. Ensiökäämityksen alla on toisiokäämitys jonka kunkin kelan molemmista navoista kulkee linja pyöreän tyhjiöastian, elohopeatasasuuntaajan, sisälle anodeihin A1 - A6, kaksi kullekin vaiheelle.
Toisiokäämityksen keskellä kulkee väliulosotto josta kulkee linja suoraan tasavirtaverkkoon liitettyyn negatiiviseen napaan, ja tasasuuntaajan sisällä oleva musta segmentti K merkitsee katodia, tässä tapauksessa elohopea-allasta, joka on liitetty tasavirtaverkon positiiviseen napaan. (Vastaa toiminnaltaan kokoaaltotasasuuntausta kahden diodin kytkennällä.)
Kolmianodinen kytkentä.
Samaa kaavaa soveltaen on myös olemassa kolmianodisia elohopeatasasuuntaajia. Nämä ovat toiminnaltaan muuten samanlaisia, mutta muuntajan toisiokäämityksessä ei ole väliulosottoa ja kunkin käämityksen toinen napa on liitetty suoraan tasavirtaverkon negatiiviseen napaan. Tämä rakenne on hyötysuhteeltaan kuusianodista elohopeatasasuuntaajaa huonompi, ja suuret elohopeatasasuuntaajat ovatkin tästä syystä lähes poikkeuksetta kuusianodisia.
Käyttökohteet.
Elohopeatasasuuntaaja oli 1970-luvulle asti erittäin tärkeä komponentti esimerkiksi sähköjunien ja raitiovaunujen (jotka käyttävät tasavirtaa) virroituksessa. 1960-luvulla alettiin kuitenkin käyttää pienempiä, halvempia ja fyysistä rasitusta paremmin kestäviä, keraamisia puolijohteita. Keraamiset puolijohteet ovat myös huomattavasti turvallisempia: lasiset elohopeatasasuuntaajat olivat hankalia käsitellä, painavia, herkkiä särkymään, ja rikkoutuessaan niistä purkautui erittäin myrkyllistä elohopeahöyryä ja lähistöllä oleskelleet altistuivat helposti elohopeamyrkytykselle. Pahimmassa tapauksessa myös elohopea-allas rikkoutui, jolloin suuri määrä elohopeaa pääsi vuotamaan ulos. Elohopean siivoaminen pois oli sekä hankalaa että myrkytysvaaran takia vaarallista. Keraamiset puolijohteet taas ovat yleensä vankan posliinikuoren sisällä, eivätkä ne sisältäneet myrkyllisiä kemikaaleja.
Elohopeatasasuuntaajien teollinen massatuotanto loppui 1970-luvulla, mutta joitakin on edelleen käytössä vanhoissa raitioliikenneverkoissa; ja uudistetulla, nykyaikaistetulla ja kestävämmällä rakenteella valmistettuja tasasuuntaajia erityiskäytössä. (ks. alempi kuva) Muuten vanhoista, käytöstä poistetuista elohopeatasasuuntaajista onkin tullut lähinnä museoesineitä.