Energia elektryczna jest w wygodny sposób transportowana i przekształcana w postaci napięcia zmiennego. W takiej postaci jest on dostarczany do konsumenta końcowego. Jednak wiele urządzeń nadal wymaga zasilania napięciem stałym.
Zawartość
Prostowniki w elektrotechnice
Prostowniki służą do przekształcania prądów zmiennych na prądy stałe. Urządzenie to jest szeroko stosowane, a główne obszary wykorzystania prostowników to radiotechnika i elektrotechnika:
- formowanie prądu stałego dla instalacji elektrycznych (podstacji trakcyjnych, zakładów elektrolizy, systemów wzbudzania generatorów synchronicznych) oraz silników prądu stałego o dużej mocy;
- zasilacze do urządzeń elektronicznych;
- wykrywanie zmodulowanych sygnałów radiowych;
- Generowanie napięcia stałego proporcjonalnego do poziomu sygnału wejściowego do budowy układów automatycznej regulacji wzmocnienia.
Zakres zastosowań prostowników jest ogromny i nie sposób wymienić ich wszystkich w jednym zestawieniu.
Zasady działania prostownika
Urządzenia prostownikowe opierają się na zasadzie jednokierunkowego przewodzenia prądu przez elementy. Można to zrobić na różne sposoby. Wiele sposobów zastosowań przemysłowych odchodzi w przeszłość - na przykład stosowanie mechanicznych maszyn synchronicznych lub urządzeń elektropróżniowych. Obecnie stosuje się zawory, które przewodzą prąd w jedną stronę. Jeszcze nie tak dawno temu urządzenia rtęciowe były stosowane w prostownikach dużej mocy. Obecnie zostały one praktycznie wyparte przez elementy półprzewodnikowe (krzemowe).
Typowe schematy prostowników
Urządzenia prostownicze mogą być zbudowane według różnych zasad. Analizując schematy prostowników, należy pamiętać, że napięcie na wyjściu każdego prostownika można nazwać stałym tylko umownie. Urządzenie to wytwarza pulsujące napięcie jednokierunkowe, które w większości przypadków musi być wygładzone przez filtry. Niektórzy odbiorcy wymagają również stabilizacji napięcia wyprostowanego.
Prostowniki jednofazowe
Najprostszym prostownikiem prądu przemiennego jest pojedyncza dioda.
Przekazuje on dodatnią połowę fali sinusoidalnej do odbiornika i "odcina" ujemną połowę fali.
Zakres zastosowania takiego urządzenia jest niewielki - głównie, Prostowniki w zasilaczach impulsowychProstownik ma ograniczony zakres zastosowań, głównie w prostownikach do zasilaczy impulsowych pracujących przy stosunkowo wysokich częstotliwościach. Mimo że dostarcza prąd płynący w jednym kierunku, ma istotne wady:
- wysoki poziom tętnień - do ich wygładzenia i wytworzenia stałego prądu potrzebny byłby duży i kłopotliwy kondensator;
- Niepełne wykorzystanie mocy transformatorów step-down (lub step-up), co prowadzi do zwiększenia wymagań dotyczących masy i rozmiarów;
- Średni wyjściowy EMF jest mniejszy niż połowa wejściowego EMF;
- większe zapotrzebowanie na diody (z drugiej strony - potrzebny jest tylko jeden zawór).
Dlatego najbardziej rozpowszechnione jest Układ podwójnego półokresu (mostek).
W tym przypadku prąd przepływa przez obciążenie dwa razy na okres w tym samym kierunku:
- Półfala dodatnia wzdłuż ścieżki oznaczonej czerwonymi strzałkami;
- ujemna półfala wzdłuż ścieżki oznaczonej zielonymi strzałkami.
Ujemna półfala nie jest tracona i jest również wykorzystywana, dzięki czemu moc transformatora wejściowego jest pełniej wykorzystywana. Średnia wartość EMF jest dwukrotnie wyższa niż w przypadku pojedynczej wersji półfalowej. Przebieg prądu pulsującego jest znacznie bardziej zbliżony do linii prostej, ale nadal potrzebny jest kondensator wygładzający. Jego pojemność i wymiary będą mniejsze niż w poprzednim przypadku, ponieważ częstotliwość tętnień jest dwukrotnie wyższa niż częstotliwość napięcia sieciowego.
Jeśli istnieje transformator z dwoma identycznymi uzwojeniami, które można połączyć szeregowo lub z uzwojeniem zwężającym się ku środkowi, można skonstruować prostownik o podwójnym półokresie w innym układzie.
Jest to właściwie podwojenie prostownika jednopołówkowego, ale ma zaletę podwójnego półokresu. Wadą tego rozwiązania jest to, że transformator musi mieć określoną konstrukcję.
Jeżeli transformator jest wykonywany przez amatora, nie ma przeszkód, aby uzwojenie wtórne było zgodne z wymaganiami, ale żelazo musi być nieco przewymiarowane. Zamiast 4 diod używane są tylko 2. Pozwoli to zrekompensować utratę masy, a nawet ją zwiększyć.
Jeśli prostownik jest przeznaczony do pracy przy dużym prądzie, a zawory muszą być zamontowane na radiatorach, to zainstalowanie o połowę mniejszej liczby diod daje znaczne oszczędności. Należy również pamiętać, że prostownik ten ma dwukrotnie większą rezystancję wewnętrzną niż układ mostkowy, a więc nagrzewanie się uzwojeń transformatora i związane z tym straty będą również większe.
Prostowniki trójfazowe
Z poprzedniego schematu można logicznie przejść do prostownika napięcia trójfazowego, zbudowanego na podobnej zasadzie.
Kształt napięcia wyjściowego jest znacznie bardziej zbliżony do linii prostej, poziom tętnień wynosi tylko 14%, a częstotliwość jest równa potrójnej częstotliwości napięcia sieciowego.
Jednak źródłem prądu w tym układzie jest prostownik jednopołówkowy, więc wielu wad nie da się uniknąć nawet w przypadku trójfazowego źródła napięcia. Główną wadą jest to, że transformator nie jest w pełni wykorzystywany, a średnia wartość EMF wynosi 1,17⋅E2eff (efektywne EMF wtórne transformatora).
Najlepsze parametry zapewnia układ mostka trójfazowego.
W tym przypadku amplituda tętnień napięcia wyjściowego jest taka sama, ale częstotliwość jest równa częstotliwości podrzędnej napięcia wejściowego AC, więc pojemność kondensatora filtrującego będzie najmniejsza ze wszystkich przedstawionych opcji. Wyjściowe EMF będzie dwukrotnie większe niż w poprzednim układzie.
Prostownik jest używany z transformatorem o wyjściu gwiazdowym, ale ten sam układ zaworów będzie znacznie mniej skuteczny w przypadku transformatora o wyjściu trójkątnym.
W tym przypadku amplituda i częstotliwość tętnień jest taka sama jak w poprzednim układzie. Jednak przeciętny EMF ma współczynnik jeden. Z tego względu połączenie to jest rzadko wykorzystywane.
Prostowniki z powielaniem napięcia
Możliwe jest skonstruowanie prostownika, którego napięcie wyjściowe jest wielokrotnością napięcia wejściowego. Na przykład, istnieją obwody z podwajaniem napięcia:
W tym przypadku kondensator C1 jest ładowany podczas ujemnego półcyklu i jest włączany szeregowo z dodatnią falą sinusoidy wejściowej. Wadą tej konstrukcji jest mała obciążalność prostownika oraz fakt, że kondensator C2 znajduje się pod podwójną wartością napięcia. Dlatego taki schemat jest stosowany w radiotechnice do prostowania z podwojeniem sygnałów małej mocy dla detektorów amplitudy, jako organ pomiarowy w układach automatycznej regulacji wzmocnienia itp.
W elektrotechnice i energoelektronice stosuje się inną odmianę obwodu podwajającego.
Podwajacz zmontowany według schematu Latoura ma dużą ładowność. Każdy z kondensatorów znajduje się pod napięciem wejściowym, więc pod względem masy i wymiarów ten wariant również wygrywa z poprzednim. Kondensator C1 jest ładowany podczas półokresu dodatniego, a C2 podczas półokresu ujemnego. Kondensatory są połączone szeregowo i równolegle do obciążenia, więc napięcie na obciążeniu jest sumą napięć naładowanych kondensatorów. Częstotliwość tętnień jest równa dwukrotnej częstotliwości napięcia sieciowego, a ich wielkość zależy od wartość pojemności. Im większa pojemność, tym mniejsze tętnienia. Także w tym przypadku należy znaleźć rozsądny kompromis.
Wadą tego układu jest to, że jeden z zacisków obciążenia nie może być uziemiony - w takim przypadku jedna z diod lub kondensatorów zostanie zwarta.
Układ ten można łączyć kaskadowo dowolną liczbę razy. W ten sposób, powtarzając zasadę przełączania dwa razy, można uzyskać obwód z czterokrotnym zwiększeniem napięcia itd.
Pierwszy kondensator w obwodzie musi wytrzymać napięcie zasilacza, pozostałe muszą wytrzymać dwukrotność napięcia zasilającego. Wszystkie bramy muszą być przystosowane do pracy przy podwójnym napięciu wstecznym. Oczywiście, aby obwód działał niezawodnie, wszystkie parametry muszą mieć margines co najmniej 20%.
Jeśli nie są dostępne odpowiednie diody, można je połączyć szeregowo, co spowoduje wielokrotne zwiększenie maksymalnego dopuszczalnego napięcia. Jednak równolegle do każdej diody muszą być dołączone rezystory wyrównawcze. Należy to zrobić, ponieważ w przeciwnym razie napięcie wsteczne może być nierównomiernie rozłożone między diodami ze względu na zmianę parametrów bramki. Może to spowodować przekroczenie najwyższej wartości dla jednej z diod. A jeśli każdy element łańcucha zostanie zmostkowany rezystorem (ich wartość znamionowa musi być taka sama), to napięcie wsteczne zostanie rozłożone ściśle po równo. Rezystancja każdego rezystora powinna być około 10 razy mniejsza od rezystancji wstecznej diody. W takim przypadku wpływ dodatkowych elementów na działanie obwodu będzie zminimalizowany.
Równoległe łączenie diod w tym obwodzie nie jest konieczne, ponieważ prądy nie są duże. Może być jednak przydatny w innych układach prostowniczych, w których obciążenie pobiera dużą moc. Połączenie równoległe zwielokrotnia dopuszczalny prąd przepływający przez zawór, ale zakłóca zmienność parametrów. W rezultacie jedna dioda może pobierać największy prąd i nie być w stanie go obsłużyć. Aby tego uniknąć, w szeregu z każdą diodą umieszcza się rezystor.
Wartość znamionowa rezystora jest tak dobrana, aby przy maksymalnym prądzie spadek napięcia na nim wynosił 1 wolt. Zatem dla prądu o natężeniu 1 A rezystor powinien mieć wartość 1 oma. Moc w tym przypadku musi wynosić co najmniej 1 W.
Teoretycznie krotność napięcia można zwiększyć do nieskończoności. W praktyce należy pamiętać, że obciążalność takich prostowników gwałtownie maleje z każdym kolejnym stopniem. W rezultacie może dojść do sytuacji, w której zwis napięcia na obciążeniu przekroczy krotność krotności i prostownik stanie się bezużyteczny. Ta wada jest wspólna dla wszystkich takich układów.
Często takie wzmacniacze napięcia są produkowane jako pojedynczy moduł w dobrej izolacji. Urządzenia takie były stosowane na przykład do wytwarzania wysokiego napięcia w telewizorach lub oscyloskopach z kineskopem jako monitorem. Znane są również układy podwajające z wykorzystaniem cewek indukcyjnych, ale nie rozpowszechniły się - elementy uzwojenia są trudne do wykonania i mało niezawodne w działaniu.
Dostępnych jest wiele schematów prostowników. Biorąc pod uwagę szeroki zakres zastosowań tego urządzenia, należy świadomie podejść do wyboru obwodu i obliczania elementów. Tylko wtedy zagwarantowana jest długa i niezawodna eksploatacja.
Powiązane artykuły:
