Zapojení usměrňovačů napětí

Elektrická zařízení mohou používat stejnosměrné nebo střídavé napětí. Energii přijímají z baterie, akumulátoru nebo elektrické sítě. V druhém případě mluvíme o střídavém napětí. Aby elektrické zařízení mohlo toto napětí používat, musí mít přesně definované vlastnosti. Pokud potřebujete na výstupu získat stejnosměrný proud, instaluje se usměrňovač napětí. Pro jeho správný výběr je třeba vědět, jaké typy usměrňovačů existují a jak fungují.

Co je to usměrňovač

Toto zařízení přijímá na vstupu sinusový signál a převádí ho na konstantní napětí požadované hodnoty. Je důležité si uvědomit, že výstupní výsledek ve většině případů není hladká přímka. Ve skutečnosti mluvíme o signálu, který se jí blíží. Získá se v důsledku vyhlazování impulsů.

Usměrnění napětí obvykle probíhá ve dvou stupních. V prvním stupni se vstupní střídavý proud transformuje tak, aby získal požadovanou amplitudu. Transformace se provádějí pomocí transformátoru. Ve druhém stupni se vyrovnávají kolísání napětí.

Proces usměrňování je založen na jevu jednosměrné vodivosti. V tomto případě může proud procházet jedním směrem, ale nikoli druhým. Dříve se k tomu používaly vakuové přístroje nebo synchronizační stroje, ale tyto metody se již nepoužívají. Moderní usměrňovače používají polovodičové diody.

Každé takové zařízení se skládá ze tří bloků: transformátoru, usměrňovače a vyhlazovacího obvodu (filtru). První je určen k regulaci úrovně výstupního napětí. Na vstupu a výstupu používá střídavé napětí. Usměrňovač odřízne záporné impulsy a na výstup dodává pouze kladné.

Vyhlazování se obvykle provádí pomocí kondenzátoru. Když se napětí zvyšuje, na jeho deskách se hromadí náboj a když se snižuje, je z nich odstraňován. Tím se vyhladí prudké změny, čímž se výstupní napětí stane přijatelným pro spotřebiče. Signál se sice zcela nevyrovná, ale svými parametry se stává vhodným pro zařízení používané elektřinou. Kvalita provedené práce je charakterizována usměrňovacím činitelem. Obvykle se jedná o poměr propustného proudu zařízení k zpětnému. Takový výpočet je však přijatelný pro ideální zařízení. Usměrňovací činitel tedy může dosáhnout několika set tisíc. Čím vyšší je, tím lépe usměrňovač plní svou funkci.

Usměrňovače založené na polovodičových prvcích se klasifikují podle následujících charakteristik:

• Výstupní výkon (vysoký, střední a nízký výkon).
• Fáze napájení (jednofázové, třífázové, vícefázové).
• Typ ovládání ventilu (řízené, neřízené).
• Typ zátěže (aktivní, aktivně-indukční, aktivně-kapacitní).

Volba obvodu zařízení závisí na zatížení a formě odběru proudu. V tomto případě je nutné vzít v úvahu takové parametry usměrňovačů, jako jsou:

• proud;
• Napětí;
• účiník;
• zvlnění výstupního napětí;
• účinnost.

K čemu se používá usměrňovač?

Pro přenos a přepravu elektrické energie je vhodné používat střídavý proud. Elektrické spotřebiče jsou však často konstruovány pro použití stejnosměrného proudu. Pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný se používají různé usměrňovací schémata. Zejména jsou potřeba převodní zařízení pro:

• tvorba vstupního napětí ve vysokonapěťových elektrárnách. To je nezbytné například pro trakční rozvodny určené pro elektrolýzní instalace, výkonné stejnosměrné motory.
• Automatická regulace zesílení. Převodní zařízení umožňuje získat konstantní signál, stejně jako informace o existující úrovni signálu a určuje požadované zesílení.
• vyhlazování nadměrně ostrých a někdy náhodných kolísání napětí. Tento typ usměrnění vstupního proudu se používá jak pro domácí, tak pro průmyslové účely. Zajišťuje, že i v případě problémů s napájecí sítí bude vytvořen výstupní proud a napětí, které zajistí dobrý a správný provoz zařízení.

Proudový usměrňovač se také používá k detekci modulovaných signálů. Vzhledem k tomu, že v každodenním životě a pro řešení výrobních problémů je potřeba stále více elektřiny, modernizují se rozvodny, aby fungovaly efektivněji. Někdy to vede k různým zkreslením vstupního střídavého napětí. V takových případech je pro spotřebitele výhodné samostatně instalovat a používat usměrňovače, které se také nazývají stabilizátory.

Výhody použití

Používání usměrňovačů uživateli je výhodné z následujících důvodů:

• Jsou nastaveny požadované základní parametry výstupního napětí.
• Zlepšuje se kvalita přiváděné elektrické energie.
• Zajišťuje vysokou účinnost zařízení.
• Zvlnění napětí je sníženo.
• Usměrňovač lze použít pro jednofázové nebo třífázové sítě v závislosti na jeho strukturálním schématu.
• Vysoká účinnost převodních zařízení je kombinována s kompaktností a relativně nízkou hmotností. Některé modely dokonce poskytují možnost dálkového ovládání.
• Usměrňovač má ve většině případů zanedbatelnou reaktanci.

Jednofázové usměrňovače

Existují různé obvody usměrňovačů. Liší se svou účinností a hospodárností v závislosti na principu fungování použitého usměrňovače.

Diodové zařízení

Když se mluví o převodu střídavého napětí na stejnosměrné, obvykle to neznamená, že výstup bude vodorovná přímka. Kvalita zpracování signálu se může lišit v závislosti na typu použitého zařízení a na tom, jak zařízení funguje. Je pouze zaručeno, že výstupní usměrněné napětí bude mít jedno znaménko. Nejjednodušší způsob převodu je použití obvodu sestávajícího z diody a zátěže.

Typy diodových usměrňovačů fungují následovně: na svorky vlevo je přivedeno střídavé napětí. Dioda propouští pouze kladné impulsy. Při přivedení záporných impulsů se na výstupu objeví nulová hodnota. V důsledku toho vzniká napětí s jedním znaménkem. Grafy jsou uvedeny níže.

Usměrňovač s diodou se nazývá jednoduchý, ale používá se jen zřídka, protože má zjevné nevýhody. Zde se ztrácí více než polovina energie a výstupní napětí se prudce mění, což je pro některá elektrická zařízení nepřijatelné.

Půlvlnný usměrňovač

Obvod usměrňovače s kondenzátorem je také považován za jeden z nejjednodušších. Vypadá takto:

Jak je vidět na schématu, usměrňovač střídavého proudu s kondenzátorem je také vybaven transformátorem, který umožňuje dosáhnout požadovaného napětí. V této fázi zůstává proměnné, ale mění se amplituda. Usměrňovací činnost je založena na činnosti diody a kondenzátoru. Na desky kondenzátoru dopadají pouze kladné poloperiody sinusoidy, protože záporné diodou neprocházejí.

Horní graf znázorňuje sinusový průběh napětí vstupujícího do usměrňovače v zobrazeném diagramu. Spodní graf ukazuje, jaké by toto napětí bylo v důsledku průchodu diodou.

Náboj na deskách kondenzátoru se zvyšuje se zvyšujícím se napětím. Když klesne na nulu, začne se vybíjet a kompenzovat tak přepětí. Na výstup je přiváděno konstantní napětí. Obvod k tomuto účelu používá elektrolytický kondenzátor s velkou kapacitou. Předpokládá se, že nejlepší měniče pro domácí spotřebiče by měly mít kapacitu alespoň 2200 mikrofaradů.

Plnovlnný usměrňovač

Dotyčný usměrňovač je poměrně složité zařízení, jehož obvod obsahuje transformátor se dvěma sekundárními vinutími. Takový převodník umožňuje použití nejen kladných poloperiod, ale i záporných.

Usměrňovač se středním bodem pracuje následovně: vstupní napětí se mění podle sinusového zákona. Během kladné poloperiody je proud usměrňován diodou umístěnou v horní části obvodu (B1) a během záporné poloperiody diodou umístěnou v dolní části (B2).

Spodní graf ukazuje, jaké napětí se vytvoří po průchodu diodami. Nenabývá záporných hodnot. Nyní je třeba ho vyhladit. To se provádí pomocí výkonného kondenzátoru podobně, jak je implementován v jednovlnném usměrňovači. Polovodičový dvouvlnný usměrňovač poskytuje na výstupu obvodu konstantní napětí s vyhlazeným signálem.

Mostový okruh

Tento oblíbený elektronický usměrňovač patří do kategorie dvoupoloperiodových usměrňovačů. Můstkové zapojení je jedním z nejběžnějších.

U střídavého napětí se směr proudu mění podle sinusového zákona. To se stane dvakrát během jednoho cyklu. Při frekvenci 50 Hz se směr mění 100krát za sekundu. V důsledku činnosti diodového můstku budou na výstupu přijímány pouze kladné napěťové impulsy.

Níže uvedený diagram znázorňuje, jak proud prochází diodovým můstkem v každé půlperiodě. V závislosti na znaménku napětí se volí vhodná trasa.

Pokud je na horním svorce kladné napětí, proud teče do kladného stejnosměrného výstupního vodiče, přičemž pro tento účel je vybrána pravá horní větev diodového můstku. Pokud je napětí záporné, proud teče do určeného vodiče ze spodního svorce. Druhá větev obvodu funguje podobným způsobem.

Při sestavování takového usměrňovače je třeba dbát na polaritu můstku. Jinak můžete kondenzátor zapojit nesprávně, což může vést k jeho poškození. K tomu stačí dodržovat následující pravidlo. V místě, kam směřují katody, je třeba připojit kladný vodič a v místě, kam směřují anody, je třeba připojit záporný vodič.

Napětí bude na výstup z diodového můstku přiváděno ve formě sekvence impulzů s kladnou polaritou. Při jeho zvyšování se kondenzátor nabíjí, a při jeho snižování se náboj uvolňuje, čímž se impulzy vyhlazují. V důsledku toho se na výstupu obvodu vytvoří konstantní napětí.

Převodník sestávající z diodového můstku lze vyrobit samostatně ze čtyř rádiových součástek nebo lze použít hotový. V druhém případě se jedná o jeden prvek s označením na každém výstupu, které je nezbytné pro správné připojení.

Třífázové usměrňovače

Výše uvedené obvody fungují efektivně s jednofázovým napětím. V praxi se však často používá třífázové. Samozřejmě můžete pro každou fázi nainstalovat měnič zvlášť, ale v tomto případě bude vstupní elektřina využívána neefektivně. Proto se používají různé typy třífázových usměrňovačů.

Půlvlnný třífázový usměrňovač

Taková elektrická zařízení přijímají signály z každé ze tří fází a z nuly. Diagram vypadá takto:

Dále se pro vyhlazování používá kondenzátor. Podobná metoda se používá v jednofázovém usměrňovači, ale v třífázovém usměrňovači je vyhlazování kvalitnější díky fázovému posunu vůči sobě navzájem.

Třífázový můstkový obvod

Tato možnost je považována za nejúčinnější pro zařízení, která usměrňují třífázové napětí.

Přijímaný signál je vyhlazený, k čemuž se také používá kondenzátor. Vzhledem k použití tří fází je usměrňovač považován za kvalitnější ve srovnání s jednofázovým.

Vícefázové usměrňovače

V elektrické síti se obvykle nachází jednofázový nebo třífázový proud. V odvětví, jako je elektrotechnika, se však používá i vícefázové napětí. To se týká situace, kdy je počet fází větší než tři. V tomto případě se používají usměrňovače, které se nazývají N-fázové.

Jsou zpracovávány stejným způsobem jako třífázové. Pro tento účel se téměř vždy používají můstkové obvody v požadovaném množství. Klasifikace usměrňovačů pro tento případ zahrnuje zařízení samostatná pro každou fázi, spojená kruhem nebo hvězdou a také sériová.

historie

V roce 1873 navrhl britský vědec Frederick Guthrie usměrňovací obvod založený na použití vakuových diod. Následující rok, 1874, vynalezl Karl Ferdinand Braun z Německa bodový kontaktní polovodičový usměrňovač.

V roce 1904 John Flemming vytvořil vysoce kvalitní elektronkovou diodu, která později sloužila jako základ pro vytvoření uvažovaných zařízení. O dva roky později byl vynalezen krystalový detektor. Ve třicátých letech probíhal aktivní výzkum jevů, které vznikaly na rozhraní mezi krystaly a kovovými součástkami. Na jejich základě byl v roce 2 objeven jev p-n přechodu. Současně byl odhalen vliv určitých nečistot na typ vodivosti (elektronickou nebo dírovou).

Usměrňovací můstek, jak ho známe dnes, vytvořil polský elektrotechnik Karol Pollak. Později, ale nezávisle na něm, učinil stejný objev Leo Graetz. V odborné literatuře se někdy používá název, který byl na jeho počest dán – Graetzův obvod.

Závěrem je třeba říci, že princip konstrukce usměrňovače se může velmi lišit. Kterýkoli z nich však poskytuje výstupní napětí, které lze podmíněně nazvat konstantním. Usměrňovač produkuje jednosměrné pulzující napětí. Ve většině případů musí být vyhlazeno filtry.

Související videa