Elektrická energia sa pohodlne prenáša a premieňa vo forme striedavého napätia. V tejto forme sa dodáva konečnému spotrebiteľovi. Mnohé zariadenia však stále potrebujú napájanie jednosmerným napätím.
Obsah
Usmerňovače v elektrotechnike
Usmerňovače sa používajú na premenu striedavého prúdu na jednosmerný. Toto zariadenie je široko používané a hlavné oblasti použitia usmerňovačov sú v rádiotechnike a elektrotechnike:
- tvorba jednosmerného prúdu pre výkonové elektrické zariadenia (trakčné napájacie stanice, elektrolytické zariadenia, budiace systémy synchrónnych generátorov) a výkonné jednosmerné motory;
- napájacie zdroje pre elektronické zariadenia;
- detekcia modulovaných rádiových signálov;
- Generovanie priameho napätia úmerného úrovni vstupného signálu na budovanie systémov automatickej regulácie zosilnenia.
Úplná škála aplikácií usmerňovačov je rozsiahla a nie je možné ich všetky uviesť v jednom prehľade.
Princípy usmerňovača
Usmerňovacie zariadenia sú založené na princípe jednosmernej vodivosti prvkov. To možno vykonať rôznymi spôsobmi. Mnohé spôsoby priemyselných aplikácií sú už minulosťou - napríklad používanie mechanických synchrónnych strojov alebo elektrovakuových zariadení. V súčasnosti sa používajú ventily, ktoré vedú prúd na jednu stranu. Nie je to tak dávno, čo sa ortuťové zariadenia používali na výkonné usmerňovače. Dnes ich prakticky nahradili polovodičové (kremíkové) prvky.
Typické schémy usmerňovačov
Usmerňovacie zariadenia môžu byť skonštruované podľa rôznych princípov. Pri analýze diagramov usmerňovačov treba mať na pamäti, že napätie na výstupe každého usmerňovača možno nazvať konštantným len konvenčne. Táto jednotka produkuje pulzujúce jednosmerné napätie, ktoré sa vo väčšine prípadov musí vyhladiť filtrami. Niektorí spotrebitelia vyžadujú aj stabilizáciu usmerneného napätia.
Jednofázové usmerňovače
Najjednoduchším usmerňovačom striedavého prúdu je jedna dióda.
Kladnú polvlnu sínusovej vlny prenáša do spotrebiča a zápornú polvlnu "odrezáva".
Rozsah použitia takéhoto zariadenia je malý - hlavne, Usmerňovače v spínaných napájacích zdrojochUsmerňovač má obmedzený rozsah použitia, hlavne v usmerňovačoch pre spínané zdroje pracujúce pri relatívne vysokých frekvenciách. Hoci dodáva prúd tečúci jedným smerom, má značné nevýhody:
- vysoká úroveň zvlnenia - na vyhladenie a výrobu konštantného prúdu by bol potrebný veľký a ťažkopádny kondenzátor;
- Nedostatočné využitie kapacity znižujúceho (alebo zvyšujúceho) transformátora, čo vedie k zvýšeným požiadavkám na hmotnosť a veľkosť;
- Priemerný výstupný EMP je menší ako polovica vstupného EMP;
- vyššie požiadavky na diódy (na druhej strane - stačí len jeden ventil).
Preto je najrozšírenejšia Dvojitý polperiodický (mostíkový) obvod.
Prúd tu preteká záťažou dvakrát za periódu v rovnakom smere:
- Kladná polvlna pozdĺž dráhy označenej červenými šípkami;
- záporná polvlna pozdĺž dráhy vyznačenej zelenými šípkami.
Záporná polvlna sa nestráca a tiež sa využíva, takže vstupný výkon transformátora sa využíva plnšie. Priemerné EMP je dvakrát vyššie ako pri jednovlnnej verzii. Pulzujúci priebeh prúdu je oveľa bližšie k priamke, ale stále je potrebný vyhladzovací kondenzátor. Jeho kapacita a rozmery budú menšie ako v predchádzajúcom prípade, pretože frekvencia zvlnenia je dvojnásobkom frekvencie sieťového napätia.
Ak existuje transformátor s dvoma rovnakými vinutiami, ktoré možno zapojiť do série, alebo s vinutím zužujúcim sa od stredu, možno v inom zapojení skonštruovať dvojpólperiodický usmerňovač.
Je to vlastne zdvojenie jednopólového usmerňovača, ale má výhodu dvojitej polperiódy. Nevýhodou je, že transformátor musí mať špecifickú konštrukciu.
Ak je transformátor vyrobený amatérsky, nič nebráni tomu, aby sa sekundár navinul podľa potreby, ale železo musí byť trochu predimenzované. Namiesto 4 diód sa používajú len 2. Tým sa kompenzuje strata hmotnosti a dokonca aj prírastok.
Ak je usmerňovač navrhnutý na vysoký prúd a ventily musia byť namontované na chladičoch, potom inštalácia polovičného počtu diód prináša výraznú úsporu. Treba si tiež uvedomiť, že tento usmerňovač má dvojnásobný vnútorný odpor v porovnaní s mostíkovým obvodom, takže zahrievanie vinutia transformátora a súvisiace straty budú tiež vyššie.
Trojfázové usmerňovače
Z predchádzajúcej schémy je logické prejsť na usmerňovač trojfázového napätia, zostavený na podobnom princípe.
Tvar výstupného napätia je oveľa bližšie k priamke, úroveň zvlnenia je len 14 % a frekvencia sa rovná trojnásobku frekvencie sieťového napätia.
Napriek tomu je zdrojom tohto obvodu jeden polperiodický usmerňovač, takže mnohým nevýhodám sa nedá vyhnúť ani pri trojfázovom zdroji napätia. Hlavnou nevýhodou je, že transformátor nie je plne využitý a priemerný EMF je 1,17⋅E2eff (efektívne sekundárne EMF transformátora).
Najlepšie parametre sú dané trojfázovým mostíkovým obvodom.
V tomto prípade je amplitúda zvlnenia výstupného napätia rovnaká 14 %, ale frekvencia sa rovná nižšej frekvencii vstupného striedavého napätia, takže kapacita filtračného kondenzátora bude najmenšia zo všetkých uvedených možností. A výstupné EMF bude dvakrát vyššie ako v predchádzajúcom zapojení.
Tento usmerňovač sa používa s výstupným transformátorom s hviezdicovým sekundárom, ale rovnaké usporiadanie ventilu bude oveľa menej účinné, ak sa použije s delta výstupným transformátorom.
Amplitúda a frekvencia zvlnenia je tu rovnaká ako v predchádzajúcom usporiadaní. Priemerný EMP je však dvakrát nižší ako v predchádzajúcom obvode. Preto sa toto pripojenie používa len zriedka.
Usmerňovače s násobením napätia
Je možné skonštruovať usmerňovač, ktorého výstupné napätie je násobkom vstupného napätia. Existujú napríklad obvody so zdvojením napätia:
Kondenzátor C1 sa tu nabíja počas záporného polcyklu a je spínaný sériovo s kladnou vlnou vstupnej sínusoidy. Nevýhodou tejto konštrukcie je nízka zaťažiteľnosť usmerňovača a skutočnosť, že kondenzátor C2 je pod dvojnásobnou hodnotou napätia. Preto sa takáto schéma používa v rádiotechnike na usmernenie so zdvojením nízkovýkonných signálov pre amplitúdové detektory, ako merací orgán v obvodoch automatickej regulácie zosilnenia atď.
V elektrotechnike a výkonovej elektronike sa používa iný variant zdvojeného obvodu.
Zdvojovač zostavený podľa Latourovho zapojenia má veľkú nosnosť. Každý z kondenzátorov je pod vstupným napätím, takže z hľadiska hmotnosti a rozmerov tento variant tiež víťazí nad predchádzajúcim. Kondenzátor C1 sa nabíja počas kladnej polperiódy a C2 počas zápornej polperiódy. Kondenzátory sú zapojené sériovo a paralelne k záťaži, takže napätie na záťaži je súčtom napätí nabitých kondenzátorov. Frekvencia zvlnenia sa rovná dvojnásobku frekvencie sieťového napätia a jej hodnota závisí od od hodnoty kapacity. Čím vyššia je kapacita, tým nižšie je zvlnenie. Aj v tomto prípade je potrebné nájsť rozumný kompromis.
Nevýhodou tohto zapojenia je, že jedna zo svoriek záťaže nesmie byť uzemnená - v tomto prípade bude jedna z diód alebo kondenzátorov skratovaná.
Tento obvod možno kaskádovať ľubovoľný početkrát. Dvojnásobným zopakovaním princípu spínania je teda možné získať obvod so štvornásobným zvýšením napätia atď.
Prvý kondenzátor v obvode musí vydržať napätie zdroja, ostatné musia vydržať dvojnásobok napájacieho napätia. Všetky brány musia byť dimenzované na dvojité spätné napätie. Samozrejme, aby obvod spoľahlivo fungoval, musia mať všetky parametre rezervu aspoň 20 %.
Ak nie sú k dispozícii vhodné diódy, možno ich zapojiť do série, čím sa maximálne prípustné napätie násobne zvýši. Paralelne ku každej dióde však musia byť pripojené vyrovnávacie rezistory. Je to potrebné urobiť, pretože inak sa môže spätné napätie medzi diódami rozdeliť nerovnomerne v dôsledku zmeny parametrov hradla. To môže mať za následok prekročenie najvyššej hodnoty pre jednu z diód. A ak je každý prvok reťazca premostený rezistorom (ich menovitá hodnota musí byť rovnaká), potom sa spätné napätie rozdelí úplne rovnako. Odpor každého rezistora by mal byť približne 10-krát menší ako spätný odpor diódy. V tomto prípade sa minimalizuje vplyv ďalších prvkov na činnosť obvodu.
Paralelné zapojenie diód v tomto obvode nie je takmer potrebné, prúdy nie sú vysoké. Môže však byť užitočný v iných usmerňovacích obvodoch, kde záťaž odoberá veľký výkon. Paralelné zapojenie znásobuje prípustný prúd cez ventil, ale narúša zmeny parametrov. Výsledkom je, že jedna dióda môže prijať najväčší prúd a nie je schopná ho spracovať. Aby sa tomu predišlo, do série s každou diódou sa umiestni rezistor.
Menovitý odpor je zvolený tak, aby pri maximálnom prúde bol úbytok napätia na ňom 1 volt. Takže pri prúde 1 A by mal byť odpor 1 ohm. Výkon v tomto prípade musí byť minimálne 1 W.
Teoreticky možno násobnosť napätia zvýšiť až na nekonečno. V praxi si uvedomte, že zaťažiteľnosť takýchto usmerňovačov sa s každým ďalším stupňom prudko znižuje. Výsledkom môže byť situácia, keď priehyb napätia na záťaži prekročí násobnosť násobenia a usmerňovač sa stane zbytočným. Táto nevýhoda je spoločná pre všetky takéto obvody.
Tieto násobiče napätia sa často vyrábajú ako jeden modul s dobrou izoláciou. Takéto zariadenia sa používajú napríklad na generovanie vysokého napätia v televízoroch alebo osciloskopoch s katódovou trubicou ako monitorom. Známe sú aj zdvojovacie obvody využívajúce indukčné cievky, ktoré sa však nerozšírili - vinuté časti sa ťažko vyrábajú a nie sú veľmi spoľahlivé v prevádzke.
K dispozícii je pomerne veľa usmerňovacích schém. Vzhľadom na širokú škálu aplikácií tejto jednotky je dôležité pristupovať k výberu obvodu a výpočtu prvkov uvedomelo. Len tak je zaručená dlhá a spoľahlivá prevádzka.
Súvisiace články:
