§ 143. Ртутный выпрямитель

Работа ртутного выпрямителя основана на использовании автоэлектронной эмиссии и ионизации газа паров ртути.
Ртутные выпрямители делятся на стеклянные и металлические.
Стеклянный однофазный ртутный выпрямитель (рис. 209) имеет колбу из молибденового стекла, из которой выкачан воздух. В колбу впаяны два стальных или графитных электрода А₁ и А₂, которые являются главными анодами выпрямителя. Нижняя часть колбы заполнена ртутью, которая служит катодом выпрямителя. В ртути помещается металлический стержень, впаянный в стекло. Рядом с ним в колбу впаян стеклянный отросток, в котором также находится ртуть. Здесь размещается анод зажигания А₃.

Аноды А₁ и А₂ соединены с концами вторичной обмотки основного трансформатора Тр_о. К катоду К подключают нагрузку. Второй провод, идущий от нагрузки, соединяют через дроссель Др со средней точкой О вторичной обмотки трансформатора Тр_о.
Чтобы ртутный выпрямитель осуществлял выпрямление переменного тока, его необходимо возбудить. Для этого включают рубильники P₁ и P₂ и подают переменное напряжение на основной Тр_о и вспомогательный Тр_в трансформаторы. Затем создают условия для того, чтобы ртуть катода соединилась с ртутью анода зажигания A₃. При этом под действием напряжения вторичной обмотки вспомогательного трансформатора Тр_в электрический ток проходит через рубильники P₂, сопротивление R анод зажигания A₃ и катод К.
Когда колбу возвращают в первоначальное положение, контакт между ртутью, окружающей катод К, и анодом зажигания A₃ разрывается, и в этом месте образуется электрическая дуга, а на ртути катода появляется небольшое сильно нагретое светлое катодное пятно.
Это пятно является местом испарения ртути. Вместе с тем вблизи поверхности ртути создается электрическое поле столь высокой напряженности, что оно вырывает свободные электроны из поверхности ртути. Это так называемая автоэлектронная (или электростатическая) эмиссия. Электроны, освобожденные на катоде, летят к тому из анодов, который в данный момент имеет положительный потенциал по отношению к катоду (рис. 210).

На своем пути электроны сталкиваются с молекулами паров ртути и ионизируют их, т. е. отделяют от них электроны, превращая эти молекулы в положительные ионы.
Ударяющие в катод положительные ионы поддерживают температуру катодного пятна. Нетрудно понять, что дуга в колбе выпрямителя представляет собой поток быстро движущихся электронов от катода к аноду и относительно медленно движущихся (из-за своей большой массы) положительных ионов ртути в обратном направлении.
Когда на аноде вследствие изменения напряжения на концах вторичной обмотки трансформатора изменяется потенциал (вместо положительного создается отрицательный), дуга в колбе перебрасывается к тому из анодов, который в данный момент имеет положительный потенциал, и таким образом соединяет поочередно катод с каждым из анодов. Дуга выполняет функцию практически безынерционного переключателя, соединяющего нагрузку то с одной, то с другой половиной обмотки трансформатора.
Пусть в течение одного полупериода (см. рис. 209) напряжение, подаваемое со вторичной обмотки трансформатора Тр_о на аноде колбы, имеет положительное значение на аноде A₁ и отрицательное на аноде A₂. Тогда ток пройдет от точки 1 вторичной обмотки трансформатора через анод A₂, катод, нагрузку (в направлении, указанном стрелкой), дроссель, среднюю точку вторичной обмотки и правую половину этой обмотки к минусу (точка 2). Через анод A₂, имеющий отрицательный потенциал, ток протекать не будет.
В течение второго полупериода полярность напряжения на анодах колбы изменится. Тогда ток пройдет от точки 2 вторичной обмотки трансформатора Тр_о через анод A₂, катод, нагрузку, дроссель, среднюю точку вторичной обмотки и левую половину этой обмотки к плюсу (точка 1). В следующие полупериоды процесс повторится и направление выпрямленного тока в нагрузке останется неизменным. Такой ртутный выпрямитель осуществляет двухполупериодное выпрямление переменного тока.
Стеклянные ртутные выпрямители изготовляют на различные напряжения (до 15 000 в) и разные токи.
При выпрямлении переменного тока большой мощности в ртутных выпрямителях выделяется значительное количество тепла. Поэтому вместо хрупких и непрочных стеклянных колб у мощных выпрямителей применены металлические.
Главные детали металлического ртутного выпрямителя: аноды, катоды, анод зажигания и др. — имеют то же назначение, что и в стеклянном выпрямителе. Этот выпрямитель включается в схему также через два трансформатора — основной и вспомогательный.
Металлический выпрямитель оборудован водяным охлаждением.
Металлические выпрямители изготовляют большой мощности на высокие напряжения и различные токи. Они питаются от трехфазной сети, поэтому являются многофазными.
Электрифицированные железные дороги, городские трамвайные сети, метрополитен получают постоянный ток от таких мощных ртутных выпрямителей, но в настоящее время они начинают заменяться полупроводниковыми выпрямителями.