Jak funguje usměrňovač napětí?

Usměrňovač — zařízení určené k převodu střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Hlavní vlastností usměrňovače je zachování směru toku proudu při změně polarity vstupního napětí.

Podle počtu usměrněných půlvln se usměrňovače dělí na jednopůlvlnné a dvoupůlvlnné.

V závislosti na počtu fází elektrické sítě existují usměrňovače jednofázové, dvoufázové, třífázové a šestifázové.

Jednofázový půlvlnný usměrňovač

Jednofázový půlvlnný usměrňovač propouští na vstup jednu půlvlnu napájecího napětí.

Obr. 1 — Schéma zapojení a princip činnosti jednofázového půlvlnného usměrňovače

Během kladné půlperiody je dioda v otevřené poloze a propouští proud skrz sebe do zátěže. Když nastane obrat záporné půlperiody, zařízení je uzamčeno a zátěž není napájena. To znamená, jako by záporná půlvlna byla přerušena (ve skutečnosti to není úplně pravda, protože v tomto procesu vždy probíhá zpětný proud, jehož hodnota je určena charakteristikou I_arr ).

Výsledkem je, jak je vidět z grafu (obr. 1), že na výstupu dostáváme impulsy sestávající z kladných polovičních period, tj. stejnosměrný proud. To je princip fungování polovodičových prvků usměrňovače.

Pulzní napětí na výstupu takového usměrňovače je vhodné pouze pro napájení nízkošumových zátěží, příkladem by mohla být nabíječka kyselinové baterie do baterky.

V praxi nacházejí takové obvody omezené uplatnění kvůli špatnému využití transformátoru a vyhlazovacího filtru. Jednoduchost konstrukce je jejich jedinou výhodou.

Nevýhody jednodiodového usměrňovače zahrnují:

• Nízká úroveň účinnosti, protože negativní půlcykly jsou odříznuty, účinnost zařízení nepřesahuje 50%.
• Výstupní napětí je přibližně poloviční než vstupní.
• Vysoká hladina hluku, která se projevuje ve formě charakteristického brumu na frekvenci napájecí sítě. Důvodem je asymetrická demagnetizace snižovacího transformátoru (ve skutečnosti je proto pro takové obvody lepší použít tlumící kondenzátor, který má i své záporné stránky).

Jednofázový můstkový usměrňovač (diodový můstek)

Jednofázový můstkový usměrňovač je dvoupůlperiodový usměrňovač. Podstatný rozdíl takového zapojení (od jednopůlperiodového) spočívá v tom, že napětí je do zátěže dodáváno v každé půlperiodě. Vzhledem k dvojnásobnému počtu diod je jeho použití při nízkých napětích omezené. Transformátor je v takovém zapojení využit naplno.

Obr. 2 — Schéma a princip činnosti diodového můstku

Jak je patrné z obrázku, obvod používá čtyři polovodičové usměrňovací prvky, které jsou zapojeny tak, že během každé půlperiody pracují pouze dva z nich. Popišme si podrobněji, jak proces probíhá:

• Do obvodu je dodáváno střídavé napětí U_in Během kladné poloperiody se vytvoří následující řetězec: VD4 – R – VD2. VD1 a VD3 jsou tedy v uzamčené poloze.
• Když nastane záporná půlperioda, v důsledku změny polarity se vytvoří řetězec: VD1 – R – VD3. V tomto okamžiku jsou VD4 a VD2 uzavřeny.
• Cyklus se opakuje během dalšího období.

Jak je patrné z výsledku (obr. 2, b), do procesu jsou zapojeny obě půlperiody a bez ohledu na to, jak se napětí na vstupu mění, prochází zátěží jedním směrem. Tento princip činnosti usměrňovače se nazývá dvoupůlperiodový.

Jeho výhody jsou zřejmé:

• Vzhledem k tomu, že do práce jsou zapojeny oba půlcykly, účinnost se výrazně zvyšuje (téměř dvakrát).
• Zvlnění na výstupu můstkového obvodu také zdvojnásobuje frekvenci (ve srovnání s půlvlnným řešením).
• Jak je vidět z grafu (obr. 2, b), úroveň poklesů mezi impulsy klesá, a proto bude pro filtr mnohem snazší je vyhladit.
• Napětí na výstupu usměrňovače je přibližně stejné jako na vstupu.

Rušení z můstkového obvodu je zanedbatelné a je ještě menší při použití filtrační elektrolytické kapacity. Díky tomu lze toto řešení použít v napájecích zdrojích pro téměř jakoukoli radioamatérskou konstrukci, včetně těch, které využívají citlivou elektroniku.

Všimněte si, že není vůbec nutné použít čtyři usměrňovací polovodičové prvky, stačí si vzít hotovou sestavu v plastovém pouzdře.

Obr. 3 – Diodový můstek ve formě sestavy

Toto pouzdro má čtyři piny, dva pro vstup a stejný počet pro výstup. Nohy, ke kterým je připojeno střídavé napětí, jsou označeny znakem „~“ nebo písmeny „AC“. Na výstupu je kladná větev označena symbolem „+“, respektive záporná větev je označena „-“.

Na schematickém diagramu je taková sestava obvykle označena ve formě diamantu s grafickým zobrazením diody umístěné uvnitř.

Na otázku, zda je lepší použít sestavu nebo jednotlivé diody, nelze jednoznačně odpovědět. Funkčnost mezi nimi není žádný rozdíl. Sestava je ale kompaktnější. Na druhou stranu, pokud selže, pomůže pouze kompletní výměna. Pokud jsou v tomto případě použity jednotlivé prvky, stačí vyměnit vadnou usměrňovací diodu.

Jiné typy usměrňovačů

Dvoufázový celovlnný usměrňovač

Dvoufázový celovlnný usměrňovač jsou dva jednofázové půlvlnné usměrňovače zapojené paralelně. Vyznačuje se vylepšeným využitím transformátoru a vyhlazovacího filtru. Jiný název pro takový usměrňovač je usměrňovač se středním bodem.

Třífázový usměrňovač s nulovým bodem má výrazně nižší pulzace výstupního napětí a jejich frekvenci ztrojnásobenou ve srovnání s jednofázovým plnovlnným usměrňovačem. To umožňuje zjednodušit filtr a někdy se bez něj i obejít. Takové schéma se však vyznačuje magnetizací transformátoru stejnosměrným proudem, což zhoršuje jeho použití.

Třífázový můstkový usměrňovač

Třífázový můstkový usměrňovač (Larionovův obvod) se ve srovnání s předchozím obvodem vyznačuje absencí magnetizace transformátoru, ještě nižším koeficientem pulzace a jejich frekvence je dvakrát vyšší.

Hlavní charakteristiky usměrňovacích obvodů při provozu na odporové zátěži

• U_н=N_дU_пр+U_в — vypočítaná hodnota napětí na zátěži
• N_д — počet diod zapojených do série
• U_пр — úbytek napětí v propustném směru na diodě
• U_в — průměrná hodnota usměrněného napětí
• I_н — vypočítaná hodnota proudu procházejícího zátěží
• n=U₁/U₂ — transformační poměr
• P_н — vypočítaná hodnota výkonu zátěže
• f — frekvence napájecího zdroje

zdroje

Elektronika © CDYUTT • Marcel Araslanov • 2019

Usměrňovače jsou elektrická zařízení, která slouží k získání stejnosměrného napětí ze střídavého napětí. Hlavními součástmi usměrňovačů jsou ventily a transformátor. Vytvářejí podmínky pro tok proudu v zátěžovém obvodu jedním směrem, tj. usměrňují ho. Ze střídavého napětí se tvoří stejnosměrné napětí s pulzacemi.

Zařízení a struktura usměrňovače

Pro vyhlazení přijatých usměrněných napěťových impulsů je za výstupem usměrňovače připojen vyrovnávací filtr, který se skládá z kondenzátorů, tlumivek a odporů. Pro vyrovnání a regulaci přijatého proudu a napětí je k výstupu vyrovnávacího filtru připojen stabilizační obvod. Taková zařízení se často připojují ke vstupu zařízení na střídavý proud.

Provozní režimy a vlastnosti jednotlivých komponent usměrňovače, stabilizátoru, regulátoru a filtru jsou koordinovány se specifickými provozními podmínkami zátěže spotřebiče. Hlavním úkolem při návrhu usměrňovacích zařízení je proto výpočet poměrů, které umožňují určit elektrické vlastnosti a parametry komponent stabilizátoru a dalších částí na základě provozního režimu spotřebiče. Poté je nutné tyto prvky vypočítat a vybrat z katalogu v maloobchodní síti.

Obr. 1

Usměrňovače lze obecně znázornit strukturálním schématem (obr. 2), které zahrnuje:

1 – Výkonový transformátor.
2 – Diodový můstek sestávající z diod.
3 – Filtrační zařízení.
4 – Zatěžovací obvod se stabilizátorem.

Obr. 2

Výkonový transformátor

Toto zařízení je navrženo tak, aby sladilo napětí na vstupu a výstupu usměrňovače (obr. 1 – a). Jinými slovy, transformátor odděluje zátěžovou síť a napájecí síť. Existuje mnoho možností zapojení vinutí tohoto transformátoru, jejichž volba závisí na typu usměrňovacího obvodu zařízení. Hodnota výstupního napětí transformátoru U₂ Velikost napětí na výstupu usměrňovacího můstku ovlivňuje U_н.

Transformátor je schopen provádět galvanické frekvenční oddělení f₁ s napájecí sítí U₁, I₁a zatěžovací obvod s U_н, I_н současně. Nyní je možné navrhovat a vyrábět vysokonapěťové střídače, které pracují na vyšší frekvenci a usměrňují napětí. Pro tento účel se používají beztransformátorové usměrňovací obvody, ve kterých je ventilový blok připojen přímo k primární napájecí síti.

Diodový můstek

Tento blok plní hlavní funkci v usměrňovacím zařízení, přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný (obr. 1 – b). Blok nejčastěji používá prvky ve formě diod.

Na výstupu ventilového bloku je odebíráno konstantní napětí, které má zvýšenou úroveň impulzů, která závisí na počtu fází napájecí sítě a usměrňovacího obvodu.

Filtrační zařízení

Filtrační část usměrňovače zajišťuje požadovanou úroveň pulzací napětí na výstupu usměrňovače v souladu s požadavky na zátěž (obr. 1 – c). Obvod filtračního zařízení využívá vyhlazovací tlumivku nebo rezistor zapojený sériově a kondenzátory zapojené paralelně k výstupu výkonu.

Nejčastěji se však filtry vyrábějí podle poněkud složitějších schémat. U nízkopříkonových usměrňovačů není nutné používat tlumivku a rezistor. V schématech usměrňovačů pro třífázovou síť je velikost impulsu menší, což usnadňuje provozní podmínky filtru.

Stabilizátor napětí

Zařízení pro stabilizaci napětí je navrženo tak, aby snižovalo vnější vlivy na výstupní napětí. Mezi tyto vlivy mohou patřit: změny frekvence proudu, teplota, úbytky napětí a další faktory. Konstrukce stabilizátoru využívá polovodičové prvky ve formě zenerových diod, tyristorů, triaků a dalších polovodičů, jejichž konstrukce a provoz budou posuzovány samostatně.

Klasifikace

Usměrňovače založené na polovodičových prvcích se klasifikují podle různých charakteristik.

Podle výstupního výkonu:

• Vysoký výkon – přes 100 kilowattů.
• Průměrný výkon – méně než 100 kW.
• Nízký výkon – až 0,6 kilowattů.

Fáze napájení:

• 1-fázový.
• 3-fázový.

Počet impulsů jednoho pólu usměrněného napětí U2 v jedné periodě:

• Jednodobé (mají jednu půlperiodu).
• Dvoutaktní (dva půlcykly).

Podle typu ovládání ventilů se usměrňovače dělí na:

• Řízené. Obvod využívá tranzistory a tyristory.
• Neřízené. Používají se diody.

Usměrňovače se dělí pro následující typy zátěže:

• Aktivně-kapacitní.
• Aktivně-indukční.
• Aktivní.

Výpočet usměrňovače

Povaha zátěže, formy odběru proudu ovlivňují metody výpočtu usměrňovače a výrazně se liší. Výpočet usměrňovače se provádí výběrem usměrňovacího obvodu, typu ventilů, určením zatížení transformátoru, filtru a diod, energetických a elektrických parametrů.

Volbu zapojení zařízení ovlivňuje řada faktorů. Tyto faktory je třeba vzít v úvahu v závislosti na požadavcích na usměrňovač.

Mezi tyto faktory patří:

• Výkon a napětí.
• Zvlnění a frekvence výstupního napětí.
• Hodnota zpětného napětí na diodách a jejich počet.
• Účiník a další parametry.
• Účinnost.

Účiník transformátoru má velký vliv na výpočet usměrňovače. Tento parametr se vypočítá podle vzorce:

Kde I_d, NEBO_d, — průměrná hodnota usměrněného proudu a napětí, I₁, U₁ — provozní primární hodnota proudu a napětí, I₂, U₂ – pracovní hodnota sekundárního proudu a napětí.

S rostoucím faktorem využití transformátoru se zmenšují celkové rozměry zařízení a zvyšuje se účinnost.

Rektifikační schémata

Jednofázové usměrňovače

Schémata zařízení pro připojení k jednofázovému síťovému napájení se nejčastěji používají pro domácí elektrospotřebiče. Používají se v nich jednofázové transformátory, které pracují s fází a nulou. Obě vinutí transformátoru takových zařízení jsou jednofázová.

Jednofázový jednostranný obvod

Jednopůlvlnový obvod se nejčastěji používá k vyrovnání proudů s nízkým výkonem (několik miliampérů), když není potřeba ideální vyrovnání napětí na výstupu usměrňovače. Takový obvod se vyznačuje značnými pulzacemi výstupního napětí a nízkým faktorem využití transformátoru.

Diagram znázorňuje provoz jednotaktního usměrňovače na aktivní zátěži.

Zatěžovací proud i_d pod vlivem elektromotorické síly sekundárního vinutí (e₂) může procházet pouze během těch poloperiod, ve kterých má anoda diody kladný potenciál vzhledem ke katodě. Proud protéká diodou během první poloperiody i_vd, a ve druhé poloperiodě se proud stává nulovým (při záporném anodovém potenciálu).

Výstupní napětí usměrňovače u_d vždy pod elektromotorickou silou vinutí e₂, a to v důsledku ztráty určité části napětí. Největší zpětný odpor ventilu U_obrmax dosáhne amplitudové hodnoty EMF sekundárního vinutí.

Proudové diagramy obou vinutí transformátoru jsou podobné, pokud neuvažujeme magnetizační proud a odečteme od něj hodnotu I_d, protože se netransformuje do primárního vinutí. Díky této hodnotě se v jádře transformátoru vytváří pomocný magnetický tok, který jádro saturuje.

Tento jev se nazývá vynucená magnetizace. To lze označit za hlavní nevýhodu tohoto obvodu. Po saturaci se magnetizační proud transformátoru zvyšuje oproti normálnímu režimu. Zvýšení tohoto proudu vytváří podmínky pro zvětšení průřezu vodiče primárního vinutí. V důsledku toho se zvětšují rozměry transformátoru.

Související témata:

• Diody (část 2). Typy a vlastnosti. Základní závady
• Měniče napětí. Typy a zařízení. Práce
• Elektronické transformátory. Konstrukce a provoz. Vlastnosti
• Spínané zdroje. Druhy a práce. Funkce a aplikace
• Napájecí zdroje. Druhy a práce. Funkce a aplikace
• Diody (část 1). Zařízení a provoz. Vlastnosti a vlastnosti
• Diody (část 2). Typy a vlastnosti. Základní závady
• Měnič napětí 12-220 (Invertor). Typy a parametry
• UPS pro domácnost. Typy a vlastnosti. Zařízení a provoz. Jak si vybrat
• Měnič napětí 12-220 (Invertor). Typy a parametry
• Stabilizátory proudu. Typy a zařízení. Funkce a použití
• Stabilizátory napětí. Typy a provedení. Vlastnosti