ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอท

ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอท (อังกฤษ: mercury-vapor rectifier) หรือ วาล์วปรอทประกายไฟโค้ง (อังกฤษ: mercury-arc valve) หรือ (สหราชอาณาจักร) ตัวเรียงกระแสแบบปรอทประกายไฟโค้ง (อังกฤษ: mercury-arc rectifier) เป็น ตัวเรียงกระแส ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับการแปลง กระแสสลับ (AC) ที่มี แรงดัน สูงหรือ กระแส สูง ให้เป็น กระแสตรง (DC) มันเป็น หลอดเติมก็าซ (อังกฤษ: gas-filled tube) แบบ แคโทดเย็น (อังกฤษ: cold cathode) ประเภทหนึ่ง แต่มันไม่ปกติตรงที่ว่าแคโทดแทนที่จะเป็นของแข็ง มันกลับทำจากปรอทเหลว ดังนั้นมันจึงฟื้นฟูตัวเองได้ ผลก็คือตัวเรียงกระแสแบบไอปรอทจะแข็งแรงทนทานได้มากกว่าและใช้งานได้ยาวนานมากกว่า และมันยังสามารถรองรับกระแสได้สูงกว่าหลอดปล่อยก๊าซชนิดอื่น ๆ ส่วนใหญ่

ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอทมีการแสดงในเครื่องส่งสัญญาณของสถานีวิทยุ blosenbergturm ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์ก่อนที่จะถูกปลดประจำการ

ได้รับการคิดค้นในปี 1902 โดย ปีเตอร์ คูเปอร์ เฮวิตต์ วงจรเรียงกระแสไอปรอทจะถูกใช้เพื่อให้พลังงานสำหรับมอเตอร์อุตสาหกรรม รถไฟฟ้าระบบราง รถราง และหัวรถจักรไฟฟ้า รวมทั้งเครื่องส่งสัญญาณวิทยุและ ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง (HVDC) พวกมันเป็นวิธีการขั้นแรกของการเรียงกระแสพลังงานสูงก่อนการถือกำเนิดของวงจรเรียงกระแสด้วย สารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด, ทายริสเตอร์ และ ทายริสเตอร์แบบปิดด้วยประตู (อังกฤษ: gate turn-off thyristor (GTO)) ในทศวรรษที่ 1970

ประวัติความเป็นมา

 

หนึ่งในหลอดไอปรอทตัวแรกที่สร้างขึ้นโดยคูเปอร์เฮวิตต์

ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอทถูกคิดค้นโดยปีเตอร์ คูเปอร์ เฮวิตต์ ในปี 1902 และพัฒนาต่อมาตลอดทศวรรษที่ 1920 และ 1930 โดยนักวิจัยทั้งในยุโรปและอเมริกาเหนือ ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์ขึ้น ว​​ิธีเดียวที่จะแปลงกระแส AC ที่ได้จากระบบสาธารณูปโภคให้เป็น DC ก็คือโดยใช้ ตัวแปลงโรตารี่ หรือชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีราคาแพง ไม่มีประสิทธิภาพและค่าบำรุงรักษาสูง วงจรเรียงกระแสปรอทโค้งหรือ "ตัวแปลง" ถูกนำมาใช้สำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ในคลังเก็บ, ระบบแสงสว่างจากไฟอาร์ก, มอเตอร์ฉุดลากแบบดีซีสำหรับรถโดยสารบรรทุก, รถรางและรถไฟใต้ดินและอุปกรณ์ชุบด้วยไฟฟ้า ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอทใช้ได้เป็นอย่างดีจนถึงทศวรรษที่ 1970 เมื่อในที่สุดมันก็ถูกแทนที่ด้วย ตัวเรียงกระแสด้วยสารกึ่งตัวนำ

หลักการทำงาน

 

ตัวเรียงกระแสแบบไอปรอทในหลอดทำด้วยแก้วจากทศวรรษที่ 1940

การทำงานของตัวเรียงกระแสจะต้องพึ่งพาการปลดปล่อยประกายไฟโค้ง (อังกฤษ: electric arc) ระหว่างขั้วไฟฟ้าด้วยกันในซองปิดผนึกที่มีไอปรอทความดันต่ำมากอยู่ข้างใน กองของสารปรอทเหลวทำหน้าที่เป็นแคโทดที่ต่ออายุตนเองได้ ซึ่งทำให้มันไม่เสื่อมสภาพไปตามกาลเวลา ปรอทปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้อย่างอิสระในขณะที่แอโหนดที่ทำด้วยคาร์บอนจะปล่อยอิเล็กตรอนน้อยมากแม้เมื่อถูกความร้อน ดังนั้นกระแสของอิเล็กตรอนจะสามารถไหลผ่านหลอดในทิศทางเดียวเท่านั้นจากแคโทดไปยังแอโนดซึ่งจะช่วยให้หลอดเรียงกระแสสลับได้

เมื่อประกายไฟโค้งก่อตัวขึ้น อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวของกองปรอทเหลว ทำให้ไอปรอทแตกตัวเป็นไอออน (อังกฤษ: ionization) ตามเส้นทางไปสู่แอโหนด ไอออน ของปรอทจะถุกดึงดูดไปหาแคโทด ส่งผลให้เกิดการโจมตีของไอออนที่กองปรอทเหลว การโจมตีจะรักษาระดับอุณหภูมิของ "จุดปล่อย" ตราบเท่าที่กระแสไม่กี่แอมแปร์ยังคงไหล

เนื่องจากกระแสถูกนำพาโดยอิเล็กตรอน "และ" ไอออน เส้นทางการนำกระแสจึงไม่ได้รับผลกระทบมกนักจากผลกระทบของประจุในที่ว่าง (อังกฤษ: space charge effect) ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพของหลอดสูญญากาศ ผลที่ตาม ตัวเรียงกระแสจึงสามารถนำพากระแสในระดับสูงที่ "แรงดันไฟฟ้าประกายโค้ง" ที่ต่ำ (ปกติที่ 20-30 V) ดังนั้นมันจึงเป็นตัวเรียงกระแสที่มีประสิทธิภาพ หลอดปล่อยก๊าซแบบแคโทดร้อนเช่น ทายราตรอน (thyratron) ยังอาจสามารถบรรลุระดับของประสิทธิภาพคล้ายกัน แต่ใส้หลอดแคโทดที่ร้อนมีความเปราะบางและมีชีวิตการทำงานที่สั้นเมื่อใช้ที่กระแสสูง

อุณหภูมิของซองจะต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวัง เนื่องจากพฤติกรรมของประกายไฟโค้งจะถูกกำหนดอย่างมากโดยความดันไอของปรอท ซึ่งจะถูกกำหนดโดยจุดที่เย็นที่สุดบนผนังบรรจุภัณฑ์ การออกแบบทั่วไปจะรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 40 องศาเซลเซียส (104 องศาฟาเรนไฮต์) และความดันไอปรอทที่ 7 millipascals

ไอออนของปรอทจะเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่เป็นลักษณะเฉพาะ ความเข้มสัมพัทธ์ของแสงถูกกำหนดโดยความดันของไอ​​่ ที่ความดันต่ำภายในตัวเรียงกระแส แสงจะปรากฏเป็นสีม่วงฟ้าอ่อนและประกอบด้วยแสงอัลตราไวโอเลตมาก

อ้างอิง

1. Electrical Year Book 1937, Emmott and Company, Manchester, England, pp 180-185
2. Rissik, H.,Mercury-Arc Current Converters, Pitman. 1941.
3. I.C.S. Reference Library volume 4B, International Textbook Company, Scranton PA 1908, section 53, page 34.