Jak funguje obvod můstkového usměrňovače?
Usměrňovač (elektrický proud) – měnič elektrické energie; mechanické, elektrovakuové, polovodičové nebo jiné zařízení určené k přeměně střídavého vstupního elektrického proudu na stejnosměrný výstupní elektrický proud.
1.7.1. Půlvlnný usměrňovač.
Nejjednodušší schéma půlvlna Usměrňovač se skládá pouze z jednoho prvku usměrňujícího proud (diody). Výstupem je pulzující stejnosměrný proud. Na průmyslových frekvencích (50-60 Hz) není široce používán, protože napájení zařízení vyžaduje vyhlazovací filtry s velkými hodnotami kapacity a indukčnosti, což vede ke zvýšení celkových hmotnostních charakteristik usměrňovače. Půlvlnný usměrňovací obvod však našel velmi široké uplatnění ve spínaných zdrojích s frekvencí střídavého napětí nad 10 kHz, které jsou široce používány v moderních domácích a průmyslových zařízeních. To je vysvětleno skutečností, že při vyšších frekvencích zvlnění usměrněného napětí jsou pro získání požadovaných charakteristik (zadaný nebo přípustný faktor zvlnění) zapotřebí vyhlazovací prvky s nižšími hodnotami kapacity (indukčnosti). Hmotnost a velikost napájecích zdrojů se snižuje se zvyšující se vstupní frekvencí střídavého proudu.
Půlvlnný usměrňovač nebo čtvrtmůstek je nejjednodušší usměrňovač a obsahuje jeden ventil (diodu nebo tyristor).
Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru prochází ventilem do zátěže pouze při kladných půlcyklech střídavého napětí. Během záporných půlcyklů je ventil uzavřen, celý pokles napětí nastane na ventilu a napětí na zátěži Un je nulové. Průměrná hodnota střídavého proudu ve vztahu k dodávanému proudu bude:
.
Tato hodnota je poloviční než u plného mostu. Je důležité si uvědomit, že efektivní hodnota napětí na výstupu půlvlnného usměrňovače bude menší než dodávaný proud a výkon spotřebovaný zátěží je 2krát menší (pro sinusový průběh).
1.7.2. Celovlnný usměrňovač.
Plnovlnný usměrňovač lze postavit pomocí můstkového nebo polomůstkového obvodu (když se např. v případě jednofázového usměrnění proudu použije speciální transformátor s výstupem ze středního bodu sekundárního vinutí a polovičním počtem proud- usměrňovací prvky se dnes používá jen zřídka, protože je náročnější na kov a má vyšší ekvivalentní aktivní vnitřní odpor, tedy velké tepelné ztráty vinutí transformátoru).
Obr. 1. Celovlnný usměrňovač s vyhlazovacím kapacitním filtrem.
Při konstrukci celovlnného usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem byste měli vždy pamatovat na to, že střídavé napětí se vždy měří v „efektivní hodnotě“, která je 1,41krát menší než jeho maximální amplituda, a usměrněné napětí na kondenzátoru v nepřítomnosti zátěže, bude vždy rovna amplitudě. To znamená, že např. při naměřeném jednofázovém střídavém napětí 12 voltů až po můstkový jednofázový usměrňovač s vyhlazovacím kondenzátorem bude na kondenzátoru (naprázdno) napětí až 17 voltů. Při zátěži bude usměrněné napětí nižší (ale ne nižší než průměrné usměrněné střídavé napětí, je-li vnitřní odpor transformátoru – zdroje střídavého proudu – rovný nule) a závisí na kapacitě vyhlazovacího kondenzátoru.
Volba hodnoty střídavého napětí sekundárního vinutí transformátoru by tedy měla vycházet z maximální přípustné hodnoty dodávaného napětí a kapacita vyhlazovacího kondenzátoru by měla být dostatečně velká, aby napětí pod zátěží nekleslo. pokles pod přípustné minimum. V praxi se počítá i s nevyhnutelným úbytkem napětí při zátěži – na odporu vodičů, vinutí transformátoru, diodách usměrňovacího můstku i s případnou odchylkou od jmenovité hodnoty napětí napájejícího el. transformátor do elektrické sítě.
Obrázek 2. Vstupní střídavé napětí (žlutá) a stejnosměrné výstupní napětí půlvlnného usměrňovače s filtrační kapacitou.
Je třeba poznamenat, že u usměrňovačů s vyhlazovacím kondenzátorem se diody neotevřou na celou půlperiodu napětí, ale na krátkou dobu, kdy okamžitá hodnota střídavého napětí překročí konstantní napětí na filtračním kondenzátoru ( tj. v okamžicích blízkých maximům sinusovky). Proud tekoucí diodami (a vinutím transformátoru) proto představuje krátké výkonné impulsy složitého tvaru, jejichž amplituda výrazně převyšuje průměrný proud spotřebovaný zátěží usměrňovače. Tuto skutečnost je třeba vzít v úvahu při výpočtu transformátoru (možnost výpočtu pro provoz ne do aktivní zátěže a do usměrňovače s kapacitním filtrem) a přijmout opatření k potlačení výsledného impulsního šumu.
1.7.3. AC usměrňovací můstkový obvod.
Diodový most – elektrický obvod určený k přeměně („usměrnění“) střídavého proudu na proud pulzující.
Vstup (Input) obvodu je napájen střídavým napětím (obvykle, ale ne nutně sinusovým). V každém půlcyklu prochází proud pouze 2 diodami, ostatní 2 jsou uzamčeny:
Obr. 3. Usměrnění kladné půlvlny
Obr. 4. Usměrnění záporné půlvlny
Obr. 5. Animace principu činnosti
Výsledkem je, že výstup (DC Output) vytváří napětí pulzující s frekvencí dvakrát větší než je frekvence napájecího napětí:
Obr 6. Červená – původní sinusové napětí, zelená – půlvlnné usměrnění (pro srovnání), modrá – uvažované celovlnné usměrnění
Výhody
- Celovlnná rektifikace pomocí můstku (oproti půlvlnné rektifikaci) umožňuje:
- Získejte výstupní napětí se zvýšenou frekvencí zvlnění, které lze snadněji vyhladit filtrem na kondenzátoru.
- Vyhněte se stejnosměrnému předpětí v transformátoru napájejícím můstek.
- Zvyšte jeho účinnost, což umožňuje vytvořit jeho magnetický obvod menšího průřezu.
Omezení
- Dochází k dvojnásobnému úbytku napětí ve srovnání s půlvlnným usměrněním (propustné napětí diody × 2 ≈ 1 V), což je u nízkonapěťových obvodů někdy nežádoucí. Tuto nevýhodu lze částečně překonat použitím Schottkyho diod s nízkým úbytkem napětí.
- Pokud dojde k vypálení jedné z diod, obvod se změní na půlvlnný, což nemusí být včas postřehnuto a v zařízení se objeví skrytá závada.
Elektrickou energii je vhodné přenášet a převádět ve formě střídavého napětí. V této podobě je dodáván konečnému spotřebiteli. Ale mnoho zařízení stále vyžaduje konstantní napětí pro jejich napájení.
Proč potřebujete usměrňovač v elektrotechnice?
Úkol přeměny střídavého napětí na stejnosměrné je přiřazen usměrňovačům. Toto zařízení je široce používáno a hlavní oblasti použití usměrňovacích zařízení v rádiu a elektrotechnice jsou:
- výroba stejnosměrného proudu pro silové elektroinstalace (trakční rozvodny, elektrolýzy, budicí systémy pro synchronní generátory) a výkonné stejnosměrné motory;
- napájecí zdroje pro elektronická zařízení;
- detekce modulovaných rádiových signálů;
- generování konstantního napětí úměrného úrovni vstupního signálu pro konstrukci systémů automatického řízení zisku.
Celá škála aplikací usměrňovačů je obrovská a není možné ji vyjmenovat v jedné recenzi.
Princip činnosti usměrňovačů
Činnost usměrňovacích zařízení je založena na vlastnosti jednosměrné vodivosti prvků. To lze provést různými způsoby. Mnoho průmyslových aplikací se stalo minulostí – například používání mechanických synchronních strojů nebo elektrických vakuových zařízení. Nyní se používají ventily, které vedou proud v jednom směru. Není to tak dávno, co se rtuťová zařízení používala pro vysoce výkonné usměrňovače. V tuto chvíli jsou prakticky nahrazeny polovodičovými (křemíkovými) prvky.
Typické usměrňovací obvody
Usměrňovací zařízení může být konstruováno podle různých principů. Při analýze obvodů zařízení musíme mít na paměti, že napětí na výstupu jakéhokoli usměrňovače lze nazvat pouze konstantní. Tento uzel produkuje pulzující jednosměrné napětí, které je ve většině případů nutné vyhlazovat filtry. Někteří spotřebitelé také vyžadují stabilizaci usměrněného napětí.
Jednofázové usměrňovače
Nejjednodušší usměrňovač střídavého napětí je jedna dioda.
Čtěte také: Co je to tyristor, jak funguje, typy tyristorů a popis hlavních charakteristik
Kladné půlvlny sinusovky předává spotřebiteli a záporné „odřízne“.
Rozsah použití takového zařízení je malý – hlavně usměrňovače pro spínané zdroje pracující na relativně vysokých frekvencích. Přestože produkuje proud tekoucí jedním směrem, má významné nevýhody:
- vysoká úroveň zvlnění – pro vyhlazení a získání konstantního proudu budete potřebovat velký a objemný kondenzátor;
- neúplné využití výkonu klesajícího (nebo zvyšovacího) transformátoru, což vede ke zvýšení požadovaných ukazatelů hmotnosti a velikosti;
- průměrné výstupní emf je menší než polovina dodávaného emf;
- zvýšené požadavky na diodu (na druhou stranu je potřeba pouze jeden ventil).
Proto se více rozšířil celovlnný (mostový) obvod.
Zde proud protéká zátěží dvakrát za periodu v jednom směru:
- kladná půlvlna podél cesty označené červenými šipkami;
- záporná půlvlna podél cesty označené zelenými šipkami.
Záporná vlna se neztrácí, ale je také využívána, takže výkon vstupního transformátoru je plně využit. Průměrné EMF je dvakrát vyšší než u půlvlnné verze. Tvar pulzujícího proudu je mnohem bližší přímce, ale vyhlazovací kondenzátor je stále zapotřebí. Jeho kapacita a rozměry budou menší než v předchozím případě, protože frekvence zvlnění je dvojnásobkem frekvence síťového napětí.
Pokud existuje transformátor se dvěma stejnými vinutími, která lze zapojit do série nebo s vinutím odbočeným ze středu, lze sestrojit celovlnný usměrňovač s použitím jiného obvodu.
Tato možnost je ve skutečnosti obvodem dvojitého půlvlnného usměrňovače, ale má všechny výhody celovlnného usměrňovače. Nevýhodou je nutnost použití transformátoru specifické konstrukce.
Pokud je transformátor vyroben v amatérských podmínkách, není překážkou navinutí sekundárního vinutí dle potřeby, ale budete muset použít železo o něco větších rozměrů. Ale místo 4 diod jsou použity pouze 2, což vyrovná úbytek ukazatelů hmotnosti a velikosti a dokonce vyhraje.
Pokud je usměrňovač navržen pro vysoký proud a ventily je třeba instalovat na radiátory, pak instalace polovičního počtu diod přináší značné úspory. Je také nutné počítat s tím, že takový usměrňovač má dvojnásobný vnitřní odpor oproti montovanému pomocí můstkového obvodu, proto bude vyšší i ohřev vinutí transformátoru a s tím spojené ztráty.
Třífázové usměrňovače
Z předchozího obvodu je logické přejít na třífázový usměrňovač napětí sestavený podle podobného principu.
Tvar výstupního napětí je mnohem bližší přímce, úroveň zvlnění je pouze 14 % a frekvence se rovná trojnásobku frekvence síťového napětí.
A přesto je zdrojem tohoto obvodu půlvlnný usměrňovač, takže řadu nedostatků nelze odstranit ani pomocí třífázového zdroje napětí. Hlavním z nich je neúplné využití výkonu transformátoru a průměrná EMF je 1,17⋅E2ff (efektivní hodnota EMF sekundárního vinutí transformátoru).
Nejlepší parametry má třífázový můstkový obvod.
Zde je amplituda zvlnění výstupního napětí stejných 14 %, ale frekvence je rovna šestinásobku frekvence vstupního střídavého napětí, takže kapacita filtračního kondenzátoru bude ze všech prezentovaných možností nejmenší. A výstupní EMF bude dvakrát vyšší než v předchozím obvodu.
Tento usměrňovač se používá s výstupním transformátorem, který má hvězdicové sekundární vinutí, ale stejná sestava ventilu bude mnohem méně účinná, když se použije ve spojení s transformátorem, jehož výstup je zapojen do trojúhelníku.
Zde jsou amplituda a frekvence pulsací stejné jako v předchozím diagramu. Ale průměrné EMF je několikrát menší než v předchozím schématu. Proto se toto zařazení používá jen zřídka.
Usměrňovače násobiče napětí
Můžete sestavit usměrňovač, jehož výstupní napětí bude násobkem vstupního napětí. Například existují obvody pro zdvojení napětí:
Zde se kondenzátor C1 nabíjí během záporného půlcyklu a je zapojen do série s kladnou vlnou vstupní sinusovky. Nevýhodou tohoto provedení je malá zatížitelnost usměrňovače a také skutečnost, že kondenzátor C2 je pod dvojnásobným napětím. Proto se takový obvod používá v radiotechnice pro usměrnění se zdvojením signálů nízkého výkonu pro amplitudové detektory, jako měřicí prvek v obvodech automatického řízení zisku atd.
V elektrotechnice a výkonové elektronice se používá jiná verze zdvojovacího obvodu.
Zdvojovač sestavený podle Latourova schématu má vysokou nosnost. Každý z kondenzátorů je pod vstupním napětím, takže v ukazatelích hmotnosti a velikosti tato možnost také překonává předchozí. Během kladného půlcyklu se nabíjí kondenzátor C1 a během záporného půlcyklu se nabíjí C2. Kondenzátory jsou zapojeny do série a ve vztahu k zátěži – paralelně, takže napětí na zátěži se rovná součtu napětí nabitých kondenzátorů. Frekvence zvlnění se rovná dvojnásobku frekvence síťového napětí a hodnota závisí na hodnotě kondenzátorů. Čím jsou větší, tím méně pulzuje. A tady je potřeba najít rozumný kompromis.
Nevýhodou obvodu je, že je zakázáno uzemňovat jednu ze svorek zátěže – jedna z diod nebo kondenzátorů v tomto případě bude zkratována.
Tento obvod může být kaskádován libovolněkrát. Takže dvojitým opakováním principu spínání můžete získat obvod se čtyřnásobným napětím atd.
První kondenzátor v obvodu musí odolat napětí zdroje, zbytek musí vydržet dvojnásobné napájecí napětí. Všechny ventily musí být navrženy pro dvojité zpětné napětí. Samozřejmě pro spolehlivý provoz obvodu musí mít všechny parametry rezervu minimálně 20 %.
Pokud neexistují vhodné diody, lze je zapojit do série – v tomto případě se maximální přípustné napětí několikrát zvýší. Ale vyrovnávací odpory musí být zapojeny paralelně ke každé diodě. To musí být provedeno, protože jinak může být v důsledku změn parametrů ventilu zpětné napětí rozděleno mezi diody nerovnoměrně. Výsledkem může být překročení maximální hodnoty pro jednu z diod. A pokud je každý prvek řetězu posunut s odporem (jejich hodnota musí být stejná), pak bude zpětné napětí distribuováno přísně rovnoměrně. Odpor každého rezistoru by měl být přibližně 10krát menší než zpětný odpor diody. V tomto případě bude minimalizován vliv dalších prvků na provoz obvodu.
Paralelní zapojení diod v tomto obvodu pravděpodobně nebude potřeba, proudy jsou zde malé. Ale může být užitečné v jiných obvodech usměrňovače, kde zátěž spotřebovává značnou energii. Paralelní zapojení násobí přípustný proud ventilem, ale odchylky parametrů vše kazí. Tím pádem může jedna dioda nabrat největší proud a nevydrží to. Aby se tomu zabránilo, je odpor umístěn v sérii s každou diodou.
Hodnota odporu je zvolena tak, aby při maximálním proudu byl úbytek napětí na něm 1 volt. Takže při proudu 1 A by měl být odpor 1 Ohm. Výkon v tomto případě by měl být alespoň 1 W.
Teoreticky lze násobek napětí zvyšovat donekonečna. V praxi je třeba pamatovat na to, že zatížitelnost takových usměrňovačů s každým dalším stupněm prudce klesá. V důsledku toho se můžete dostat do situace, kdy pokles napětí na zátěži překročí multiplikační faktor a práce usměrňovače ztrácí smysl. Tato nevýhoda je společná všem takovým schématům.
Často se takové násobiče napětí vyrábějí jako jeden modul s dobrou izolací. Podobná zařízení se používala například k vytváření vysokého napětí v televizorech nebo osciloskopech s katodovou trubicí jako monitorem. Známá jsou také schémata zdvojení pomocí tlumivek, která se však nerozšířila – části vinutí jsou obtížně vyrobitelné a v provozu nejsou příliš spolehlivé.
Usměrňovacích obvodů je poměrně hodně. Vzhledem k širokému rozsahu použití této jednotky je důležité přistupovat k výběru obvodu a výpočtu prvků vědomě. Pouze v tomto případě je zaručen dlouhý a spolehlivý provoz.
Co je to diodový můstek, princip jeho činnosti a schéma zapojení
Co je to spínaný zdroj a kde se používá?
Jaký je rozdíl mezi stejnosměrným a střídavým proudem a kde se používají?
Popis charakteristik, obsazení pinů a příklady schémat zapojení lineárního regulátoru napětí LM317
Princip činnosti a hlavní charakteristiky zenerovy diody
Co je transformátor: zařízení, princip činnosti a účel