Co je to usměrnění AC?
Můj dnešní příspěvek je o usměrňovače. Co to je a čím je jedí? No, nejprve začněme tím, že většina elektronických zařízení spotřebovává pro svůj provoz stejnosměrnou elektrickou energii. Stejnosměrnými zdroji mohou být různé galvanické články (baterie), akumulátory, termoelektrické generátory, stejnosměrné elektrické stroje a usměrňovače. Nejběžnějším zdrojem stejnosměrného proudu je usměrňovač – zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný proud.
Chcete-li sestavit radioelektronické zařízení, můžete si předem vyrobit sadu DIY KIT pomocí odkazu.
Obvykle se usměrňovače skládají z silové prvky (nejčastěji diody), transformátor (pro převod střídavého napětí a elektrické izolace mezi vstupními a výstupními obvody usměrňovače) a vyhlazovacím filtrem (snižuje zvlnění napětí při zátěži). V závislosti na počtu fází napájecího systému se rozlišují jednofázové a třífázové usměrňovače.
Jako výkonové prvky usměrňovačů se používají germaniové a křemíkové diody. Křemíkové diody téměř úplně nahradily germaniové diody. Jedinou nevýhodou křemíkových diod ve srovnání s germaniovými diodami je vysoký pokles napětí v propustném směru řádově 0,6. 0,8 V místo 0,1. 0,3 V.
Obecnými nevýhodami většiny vysoce výkonných usměrňovacích diod je dlouhý proces resorpce menšinových nosičů náboje a dlouhá doba obnovy zpětného odporu. To se projeví zvláště při usměrnění obdélníkového napětí s frekvencí střídavého proudu nad 1 kHz a projeví se snížením průměrné hodnoty usměrněného napětí, zvýšením zvlnění a snížením účinnosti usměrňovače.
V současné době jsou stále rozšířenější Schottkyho diody (diody založené na kontaktu mezi kovem a polovodičem). Tyto diody nemají fenomén akumulace a resorpce menšinových nosičů náboje, což jim umožňuje pracovat na frekvencích stovek kilohertzů. Navíc jejich pokles napětí v propustném směru je přibližně poloviční než u běžných křemíkových diod.
Sériové a paralelní zapojení diod.
Pokud pro obvod usměrňovače nelze vybrat požadovaný typ diody v souladu se zadanou hodnotou zpětného napětí nebo propustného proudu, použijí se dvě nebo více diod stejného typu s nižšími hodnotami parametrů, včetně těchto diod sériově nebo paralelně.
Paralelní zapojení diod
Paralelní zapojení diod
na paralelní zapojení diod z důvodu možného rozptylu parametrů budou jejich proudy různé. Jeden z těchto proudů může překročit maximální přípustnou hodnotu, což povede k poruše nejprve jedné a poté druhé diody. Rovnoměrnější distribuce proudu mezi paralelně zapojenými diodami je dosažena zapojením do série s každou z nich rezistory R stejné hodnotyд. Odpor rezistoru Rд by měl být 5. 10 krát větší než odpor diody v propustném směru. Ve výkonných usměrňovacích zařízeních se pro stejný účel používají ekvalizéry indukčního proudu.
Výpočet paralelního zapojení diod
Pro zahájení výpočtu je nutné určit požadované počet paralelně připojených diod, na základě skutečnosti, že proud procházející jednou diodou by neměl překročit maximální přípustnou hodnotu proudu pro daný typ diody, pak bude počet paralelně zapojených diod roven
, kde jsemm — maximální hodnota proudu procházejícího diodami,
kT – aktuální zátěžový faktor (může nabývat hodnot od 0,5 do 0,8),
Inp – průměrný propustný proud pro daný typ diody.
U zlomkových hodnot odhadovaného počtu diod se zaokrouhlování provádí nahoru.
Hodnota odpor přídavných rezistorů opredelyaetsya po formuli
, kde n je počet usměrňovacích diod,
Unp.cp — konstantní propustné napětí pro tento typ diod
Vypočtený odpor přídavných rezistorů se zaokrouhlí na nejbližší standardní odpor.
Příklad výpočtu paralelního zapojení diod
Vypočítejte obvod usměrňovače, který vám umožní získat usměrněný proud Ivypr = 550 mA při použití diod D226B.
Protože průměrný propustný proud diody D226B Iatd. St = 300 mA, pak je nutné použít několik paralelně zapojených diod s přídavnými odpory. Spočítejme počet paralelně zapojených diod, vezměte kT = 0,8
Zjistíme hodnotu odporu přídavných rezistorů
Vyberme rezistor ze standardního rozsahu odporů E24 (± 5%) Rext = 6,2 ohmů
Sériové zapojení diod
Sériové zapojení diod
Aby bylo zajištěno, že vybraný typ diody může pracovat v usměrňovacím obvodu se zpětným napětím překračujícím maximální přípustnou hodnotu, měla by být připojena diody stejného typu v sérii. Pokud se parametry neshodují, pak je jedna z diod pod výrazně vyšším napětím než druhá. To může vést k poruše jedné a poté další diody. Vyrovnání zpětného napětí na sériově zapojených diodách je dosaženo bočníkem každé z diod s rezistorem Rш. Proud procházející těmito odpory by měl být 5. 10krát větší než maximální možný zpětný proud diod. Ve výkonných vysokonapěťových usměrňovačích jsou pro stejný účel diody shuntovány kondenzátory Cш nebo RC obvod.
Výpočet sériového zapojení diod
Chcete-li zahájit výpočet, který potřebujete určit počet diod zapojených do sériena základě skutečnosti, že úbytek napětí na každé jednotlivé diodě by neměl překročit hodnotu amplitudového napětí, pak bude počet diod zapojených do série roven
Um – hodnota amplitudy napětí procházejícího diodou,
kH – faktor zatížení napětí (může nabývat hodnot od 0,5 do 0,8),
Uobp max — maximální přípustné zpětné napětí diody.
U zlomkových hodnot odhadovaného počtu diod se zaokrouhlování provádí nahoru.
Hodnota odpor bočníkových rezistorů opredelyaetsya po formuli
Iobp max — maximální přípustný zpětný proud diody při maximální teplotě.
Příklad výpočtu sériového zapojení diod
Vypočítejte obvod usměrňovače pro napětí s hodnotou amplitudy 700V pomocí diod D226B.
Protože maximální přípustné zpětné napětí diody Uarr.max = 300V, pak pro usměrnění je nutné použít řetězec sériově zapojených diod s bočníkovými odpory. Spočítejme počet sériových diod, vezměte kH = 0,7
Zjistíme hodnotu odporu bočníkových rezistorů
Vyberme rezistor ze standardního rozsahu odporů E24 (± 5%) Rш = 1 MOhm
Zařazení přídavných a bočníkových rezistorů je nevyhnutelně spojeno se zvýšením výkonových ztrát a snížením účinnosti obvodu usměrňovače.
Základní rektifikační schémata a jejich srovnávací charakteristiky.
Radioamatérská a domácí radioelektronická zařízení jsou napájena pouze z jednofázové sítě střídavého proudu. Proto jsou jednofázové usměrňovací obvody diskutovány níže.
Základní jednofázové usměrňovací obvody napětí: půlvlnný, celovlnný se středem, celovlnný můstek, obvod násobiče napětí. V praxi se používají i složité usměrňovací obvody, tvořené ze dvou nebo více jednoduchých obvodů jejich kombinací. Kombinované usměrňovací obvody je vhodné používat pouze s konstantní zátěží napříč všemi výstupními obvody; jinak bude pozorováno vzájemné ovlivnění výstupních kanálů napájecího zdroje.
Půlvlnný usměrňovací obvod
Jednofázový půlvlnný usměrňovací obvod Může pracovat jak bez vstupního transformátoru, tak s transformátorem. Proud protéká diodou VD pouze tehdy, když polarita odpovídajícího půlcyklu síťového napětí způsobí otevření diody. Proud diody je v každém okamžiku současně proudem sekundárního vinutí transformátoru a proudem zátěže. Při aktivní zátěži má podobu unipolárních pulzů s dobou trvání rovnající se polovině periody sítě. Během dalšího půlcyklu napájecího napětí Uc dioda VD je v sepnutém stavu. Při návrhu transformátoru pro půlvlnné usměrňovací obvody je třeba vzít v úvahu magnetizaci magnetického jádra, proto celkový návrhový výkon transformátoru zvýšit na hodnotu Pг = (3,36…3,5) Rо.
Jednofázový půlvlnný usměrňovací obvod
Výhodou obvodu je jeho jednoduchost, minimální počet hradel.
Nevýhody půlvlnného usměrňovacího obvodu jsou velká hodnota zvlnění usměrněného napětí a nízká frekvence zvlnění, rovna síťové frekvenci; špatné použití transformátoru; vysoké zpětné napětí na diodě (3,14 násobek usměrněného napětí); velký proudový impuls přes diodu.
Pro nízký výstupní výkon (1. 3 W) a nízké požadavky na usměrněné zvlnění napětí je použit půlvlnný usměrňovací obvod. Nejčastěji se takový usměrňovací obvod používá v kombinaci s jednokoncovým měničem napětí a kapacitním filtrem pro přeměnu nízkonapěťového stejnosměrného napájecího napětí na vysokonapěťové.
Celovlnný usměrňovací obvod se středem
Jednofázový celovlnný usměrňovací obvod se středem je kombinací dvou paralelně zapojených půlvlnných obvodů pracujících střídavě na jednom společném zatěžovacím odporu. Obvod může pracovat se střídavým proudem pouze v případě, že je k dispozici vstupní transformátor, který má střední odbočku v sekundárním vinutí. Napětí U přiváděné do primárního vinutíc se přemění na sekundární tak, že jeden z nich (například U’в) je otvor pro diodu VD1 a druhý (U”в) – sepnutí pro diodu VD2. Přes diodu VD1 a zátěžový odpor Rн Během poloviny periody síťového napětí protéká proudový impuls podobný impulsu půlvlnného usměrňovacího obvodu. V dalším půlcyklu se polarita napětí na polovičních vinutích obrátí, dioda VD1 se uzavře a VD2 se otevře. V tomto případě bude proudový impuls procházet diodou VD2 a zatěžovacím odporem Rн, to znamená, že proud protéká zátěží během každého půlcyklu v jednom směru.
Jednofázový celovlnný usměrňovací obvod se středem
Protože proudy v sekundárních polovičních vinutích transformátoru protékají střídavě v opačných směrech, nedochází k magnetizaci magnetického obvodu.
Frekvence zvlnění usměrněného napětí je rovna dvojnásobku síťové frekvence.
Celovlnný usměrňovací obvod se středovým bodem má oproti jednopůlvlnnému usměrňovacímu obvodu řadu výhod: při stejném výstupním výkonu jsou rozměry a hmotnost transformátoru menší (kvůli absenci magnetizace); amplituda proudu usměrňovacími diodami je poloviční; frekvence zvlnění usměrněného napětí je dvakrát vyšší. Celovlnný usměrňovací obvod se středovým bodem má oproti můstku menší počet diod v rameni a tím i vyšší účinnost. Obě diody lze instalovat na společný radiátor bez elektrické izolace.
Nevýhody obvodu jsou přítomnost transformátoru na vstupu; horší využití vinutí transformátoru oproti jiným celovlnným usměrňovacím obvodům (každým polovičním vinutím protéká proud pouze půl periody); vysoké zpětné napětí na diodách; možnost výskytu vlnění na výstupu obvodu na síťové frekvenci v důsledku asymetrie ramen.
Obvod je univerzální v použití, ale kvůli vysokému zpětnému napětí na diodách se zřídka používá pro usměrnění vysokého napětí.
Obvod můstkového usměrňovače
Jednofázový můstkový celovlnný usměrňovací obvod je usměrňovač tvořený čtyřmi diodami zapojenými do můstkového obvodu. Jedna úhlopříčka můstku obsahuje sekundární vinutí transformátoru a druhá úhlopříčka obsahuje zatěžovací odpor. Síťové napětí lze připojit přímo k můstkovému usměrňovači.
celovlnný můstkový usměrňovací obvod
Během jedné z půlcyklů síťového napětí protéká zátěžový proud dvěma sériově zapojenými diodami, například VD1 a VD4, během dalšího půlcyklu dvěma dalšími diodami (VD2 a VD3). V přítomnosti transformátoru protéká proud sekundárním vinutím během každého půlcyklu, ale v opačných směrech, takže magnetizace magnetického obvodu je eliminována.
Výhody můstkového usměrňovacího obvodu oproti obvodu se středním bodem jsou nižší celkový výkon transformátoru; poloviční zpětné napětí na zavřené diodě; obvod může pracovat bez vstupního transformátoru; pokud je odbočka z části sekundárního vinutí, je možné získat dvě výstupní napětí.
Nevýhodou obvodu je velký počet diod, což snižuje jeho účinnost; bez elektrické izolace není možné instalovat všechny čtyři diody na společný radiátor.
Můstkový usměrňovací obvod má univerzální použití. Zřídka se však používá k usměrnění relativně nízkých napětí, protože při výstupních napětích odpovídajících úbytku napětí na diodách účinnost usměrňovače prudce klesá.
Srovnávací charakteristiky parametrů usměrňovacích obvodů
Srovnávací charakteristika parametry usměrňovacích obvodů je uveden v tabulce, která obsahuje některé informace o parametrech proudů a napětí v obvodech usměrňovače. V tabulce je základní napětí považováno za konstantní napětí U na výstupu usměrňovače
| Stanovená hodnota a její označení | Půlvlnný usměrňovací obvod | Celovlnný obvod se středem | Mostový usměrňovací obvod |
| Stejnosměrná složka usměrněného napětí, U | 1 | 1 | 1 |
| Efektivní hodnota napětí na fázi sekundárního vinutí transformátoru UB | U 2,22 | U 1,11 | U 1,11 |
| Největší (amplituda) hodnota zpětného napětí přivedeného na jednu diodu, Uarr | U 3,14 | U 3,14 | U 1,57 |
| Amplituda střídavé složky usměrněného napětí Un max | U 1,57 | U 0,67 | U 0,67 |
| Zatěžovací proud, I | 1 | 1 | 1 |
| RMS hodnota proudu jednou diodou, IВ | 1,57 I | 0,785 I | 0,785 I |
| Největší (amplituda) hodnota proudu procházející jednou diodou, Imax | 3,14 I | 1,57 I | 1,57 I |
Příklad výpočtu parametrů usměrňovače
Je zde výkonový transformátor, na jehož sekundárním vinutí je efektivní napětí UB = 10 V. Je potřeba určit napětí na výstupu můstkového usměrňovače a hodnotu zpětného napětí, které je přivedeno na jednu diodu usměrňovacího obvodu.
Určíme napětí na výstupu usměrňovacího můstku
Hodnota amplitudy zpětného napětí přivedeného na jednu diodu
Parametry proudu a napětí uvedené v tabulce odpovídají obvodům usměrňovače bez výstupních filtrů. Hodnota proudů a napětí pomocí různých filtrů na výstupu usměrňovače bude uvedena v článku o vyhlazovacích filtrech.
Teorie je dobrá, ale je potřeba si to vše prakticky vyzkoušet MŮŽETE VYZKOUŠET ZDE