Elektrická energie se pohodlně přenáší a přeměňuje ve formě střídavého napětí. V této podobě se dodává konečnému spotřebiteli. Mnoho zařízení však stále potřebuje stejnosměrné napětí.
Obsah
Usměrňovače v elektrotechnice
Usměrňovače se používají k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. Toto zařízení je široce používáno a hlavní oblasti použití usměrňovačů jsou v radiotechnice a elektrotechnice:
- tvorba stejnosměrného proudu pro silová elektrická zařízení (trakční měnírny, elektrolýzy, budicí systémy synchronních generátorů) a výkonné stejnosměrné motory;
- napájecí zdroje pro elektronická zařízení;
- detekce modulovaných rádiových signálů;
- Generování stejnosměrného napětí úměrného úrovni vstupního signálu pro budování systémů automatické regulace zesílení.
Škála aplikací usměrňovačů je velmi široká a není možné je všechny uvést v jednom přehledu.
Principy usměrňovače
Usměrňovače jsou založeny na principu jednosměrné vodivosti prvků. To lze provést různými způsoby. Mnoho způsobů průmyslových aplikací je již minulostí - například používání mechanických synchronních strojů nebo elektrovakuových zařízení. V současné době se používají ventily, které vedou proud na jednu stranu. Není to tak dávno, co se rtuťové přístroje používaly pro výkonné usměrňovače. Ty jsou dnes prakticky nahrazeny polovodičovými (křemíkovými) prvky.
Typická schémata usměrňovačů
Usměrňovací zařízení mohou být konstruována podle různých principů. Při analýze schémat usměrňovačů je třeba mít na paměti, že napětí na výstupu každého usměrňovače lze označit za konstantní pouze konvenčně. Tato jednotka vytváří pulzující jednosměrné napětí, které je ve většině případů nutné vyhladit filtry. Někteří spotřebitelé také vyžadují stabilizaci usměrněného napětí.
Jednofázové usměrňovače
Nejjednodušší usměrňovač střídavého proudu je jednoduchá dioda.
Do spotřebiče přenáší kladnou půlvlnu sinusovky a "odřezává" zápornou půlvlnu.
Rozsah použití takového zařízení je malý - především, Usměrňovače ve spínaných napájecích zdrojíchUsměrňovač má omezený rozsah použití, především v usměrňovačích pro spínané zdroje pracující při relativně vysokých frekvencích. Přestože dodává proud tekoucí jedním směrem, má značné nevýhody:
- vysoké zvlnění - k jeho vyrovnání a vytvoření konstantního proudu by byl zapotřebí velký a těžkopádný kondenzátor;
- Nedostatečné využití kapacity snižovacího (nebo zvyšovacího) transformátoru, což vede ke zvýšení požadavků na hmotnost a velikost;
- Průměrný výstupní EMP je menší než polovina vstupního EMP;
- vyšší nároky na diody (na druhou stranu - stačí pouze jeden ventil).
Proto je nejrozšířenější Dvojitý půlperiodický (můstkový) obvod.
Proud zde protéká zátěží dvakrát za periodu ve stejném směru:
- Kladná půlvlna podél dráhy vyznačené červenými šipkami;
- zápornou půlvlnu podél dráhy vyznačené zelenými šipkami.
Záporná půlvlna se neztrácí a je také využita, takže výkon vstupního transformátoru je plněji využit. Průměrné EMP je dvakrát vyšší než u jednovlnné verze. Pulzující průběh proudu se mnohem více blíží přímce, ale stále je zapotřebí vyhlazovací kondenzátor. 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 zužujícím se od středu, lze v jiném zapojení zkonstruovat dvoupólový usměrňovač.
Je to vlastně zdvojení jednopólového usměrňovače, ale má výhodu dvojité půlperiody. Nevýhodou je, že transformátor musí mít specifickou konstrukci.
Pokud je transformátor vyroben amatérsky, nic nebrání tomu, aby byl sekundár navinut podle potřeby, ale železo musí být poněkud předimenzováno. Místo 4 diod se používají pouze 2. Tím se kompenzuje úbytek hmoty a dokonce i přírůstek.
Pokud je usměrňovač navržen pro velký proud a ventily musí být namontovány na chladičích, pak instalace polovičního počtu diod přináší výraznou úsporu. Uvědomte si také, že tento usměrňovač má dvojnásobný vnitřní odpor ve srovnání s můstkovým obvodem, takže zahřívání vinutí transformátoru a související ztráty budou také vyšší.
Třífázové usměrňovače
Z předchozího schématu je logické přejít k usměrňovači třífázového napětí, sestavenému na podobném principu.
Tvar výstupního napětí je mnohem bližší přímce, úroveň zvlnění je pouze 14 % a frekvence se rovná trojnásobku frekvence síťového napětí.
Přesto je zdrojem tohoto obvodu jednopólový usměrňovač, takže mnoha nevýhodám se nelze vyhnout ani při použití třífázového zdroje napětí. Hlavní nevýhodou je, že transformátor není plně využit a průměrný EMF je 1,17⋅E.2eff (efektivní sekundární EMF transformátoru).
Nejlepší parametry jsou dány třífázovým můstkovým obvodem.
Zde je amplituda zvlnění výstupního napětí stejná 14 %, ale frekvence je rovna nižší frekvenci vstupního střídavého napětí, takže kapacita filtračního kondenzátoru bude nejmenší ze všech předložených možností. A výstupní EMF bude dvakrát vyšší než v předchozím zapojení.
Tento usměrňovač se používá s výstupním transformátorem s hvězdicovým sekundárem, ale stejné uspořádání ventilu bude mnohem méně účinné, pokud se použije s výstupním transformátorem delta.
Zde je amplituda a frekvence zvlnění stejná jako v předchozím uspořádání. Průměrný elektromagnetický poloměr je však jednonásobný. Proto se toto připojení používá jen zřídka.
Usměrňovače s násobením napětí
Je možné sestrojit usměrňovač, jehož výstupní napětí je násobkem vstupního napětí. Existují například obvody se zdvojením napětí:
Zde se kondenzátor C1 nabíjí během záporného půlcyklu a je spínán do série s kladnou vlnou vstupní sinusovky. Nevýhodou této konstrukce je malá zatížitelnost usměrňovače a skutečnost, že kondenzátor C2 je pod dvojnásobnou hodnotou napětí. Proto se takové schéma používá v radiotechnice k usměrnění se zdvojením signálů s malým výkonem pro amplitudové detektory, jako měřicí orgán v obvodech automatické regulace zesílení atd.
V elektrotechnice a výkonové elektronice se používá jiná varianta zdvojovacího obvodu.
Zdvojovač sestavený podle Latourova schématu má velkou nosnost. Každý z kondenzátorů je pod vstupním napětím, takže i z hlediska hmotnosti a rozměrů tato varianta vítězí nad předchozí. Kondenzátor C1 se nabíjí během kladné půlperiody a C2 během záporné půlperiody. Kondenzátory jsou zapojeny sériově a paralelně k zátěži, takže napětí na zátěži je součtem těchto hodnot napětí nabitých kondenzátorů. Frekvence zvlnění je rovna dvojnásobku frekvence síťového napětí a její hodnota závisí na na hodnotě kapacity. Čím vyšší je kapacita, tím nižší je zvlnění. I zde je třeba najít rozumný kompromis.
Nevýhodou tohoto zapojení je, že jedna ze zatěžovacích svorek nesmí být uzemněna, protože v takovém případě dojde ke zkratu jedné z diod nebo kondenzátorů.
Tento obvod lze kaskádovat libovolný početkrát. Dvojím opakováním principu spínání lze tedy získat obvod se čtyřnásobným napětím atd.
První kondenzátor v obvodu musí vydržet napětí zdroje, ostatní musí vydržet dvojnásobek napájecího napětí. Všechny brány musí být dimenzovány na dvojnásobné zpětné napětí. Aby obvod spolehlivě fungoval, musí mít samozřejmě všechny parametry rezervu alespoň 20 %.
Pokud nejsou k dispozici vhodné diody, lze je zapojit do série, čímž se maximální přípustné napětí násobně zvýší. Paralelně ke každé diodě je však třeba zařadit vyrovnávací odpory. To je nutné provést, protože jinak může být zpětné napětí mezi diodami rozloženo nerovnoměrně v důsledku změny parametrů hradla. To může vést k překročení nejvyšší hodnoty pro jednu z diod. A pokud je každý prvek řetězu přemostěn rezistorem (jejich jmenovitá hodnota musí být stejná), pak se zpětné napětí rozdělí přísně rovnoměrně. Odpor každého rezistoru by měl být asi 10krát menší než zpětný odpor diody. V tomto případě se minimalizuje vliv dalších prvků na provoz obvodu.
Paralelní zapojení diod v tomto obvodu není téměř nutné, proudy nejsou vysoké. Může však být užitečný v jiných usměrňovacích obvodech, kde zátěž odebírá velký výkon. Paralelní zapojení násobí povolený proud ventilem, ale kazí změny parametrů. Výsledkem je, že jedna dioda může odebírat nejvíce proudu a není schopna ho zvládnout. Aby se tomu předešlo, je ke každé diodě v sérii připojen rezistor.
Jmenovitý odpor je zvolen tak, aby při maximálním proudu byl úbytek napětí na něm 1 volt. Pro proud 1 A by tedy měl být odpor 1 ohm. Výkon v tomto případě musí být alespoň 1 W.
Teoreticky lze násobnost napětí zvýšit až na nekonečno. V praxi je třeba mít na paměti, že zatížitelnost takových usměrňovačů s každým dalším stupněm prudce klesá. Výsledkem může být situace, kdy průhyb napětí na zátěži překročí násobnost násobení a usměrňovač se stane zbytečným. Tato nevýhoda je společná všem takovým obvodům.
Tyto násobiče napětí se často vyrábějí jako jeden modul v dobré izolaci. Taková zařízení se používají například pro generování vysokého napětí v televizorech nebo osciloskopech s katodovou trubicí jako monitorem. Známé jsou také zdvojovací obvody s indukčními cívkami, které se však příliš nerozšířily - vinutí se obtížně vyrábí a není příliš spolehlivé v provozu.
K dispozici je poměrně mnoho schémat usměrňovačů. Vzhledem k širokému spektru použití této jednotky je důležité přistupovat k výběru obvodu a výpočtu prvků uvědoměle. Jen tak je zaručen dlouhý a spolehlivý provoz.
Související články:
