Jak funguje obvod můstkového usměrňovače?

Téměř všechna elektronická zařízení pracují na stejnosměrný proud. Tento přístup výrazně snižuje počet použitých elektronických součástek, velikost obvodu a náklady na výrobu zařízení.

Usměrňovače slouží k přeměně střídavého elektrického napětí na stejnosměrné napětí. Tento článek poskytne podrobné vysvětlení toho, co jsou usměrňovače s plnou vlnou. Popisuje jejich princip fungování, odrůdy, hlavní výhody a nevýhody.

Jmenování

Hlavním účelem jednofázového plnovlnného usměrňovače je přeměnit střídavý proud na stejnosměrný proud. Abychom pochopili princip fungování takového usměrňovače, je nutné pochopit, co je půlvlnné usměrnění.

Půlvlnný usměrňovač je zařízení, které se skládá z transformátoru a jedné diody (ventilu) připojené k sekundárnímu vinutí transformátoru. Zařízení funguje následovně:

1. Sinusový proud je cyklus 2 period: pozitivní a negativní.
2. Když obvodem proteče kladný půlcyklus, dioda se otevře a vede ji dále po obvodu.
3. Když dojde k zápornému půlcyklu, dioda se neotevře a tento cyklus přeruší.

Tímto způsobem prochází obvodem pouze vysoký zvlněný proud. Pro vyhlazení tohoto efektu je obvod doplněn o vysokokapacitní kondenzátor. Hlavní nevýhodou tohoto schématu je velká proudová ztráta a nutnost použití výkonných vyhlazovacích kondenzátorů. Podobné zařízení se používá například pro nabíjecí jednotky mobilních telefonů.

Celovlnný jednofázový usměrňovač je postaven podle přibližně podobného obvodu. Hlavním rozdílem je přidání 2 a více polovodičových diod pro vyhlazení obou půlcyklů. Existují následující typy takových prvků:

Každé zařízení používá jiný počet převodníků, což znamená, že má jiný princip činnosti.

Středový diagram

Středový celovlnný usměrňovač zahrnuje transformátor se dvěma sekundárními vinutími s centrálním terminálem. Lze použít i transformátor s jedním sekundárním vinutím, ale ten bude mít nutně výstup ze středu vinutí. Navíc obvod obsahuje 2 diody. Usměrňovač s nulovou svorkou funguje kvůli tvorbě EMF různých směrů. Oba tyto EMF jsou co do velikosti stejné jako generované napětí vzhledem ke středu nebo nulovému bodu. Při provozu takového transformátoru se proud na obou polovičních vinutích fázově posune o 0 stupňů.

Princip činnosti tohoto usměrňovače je následující:

1. Transformátor má svorky „w21“ a „w22“, které mají opačný význam.
2. K těmto kolíkům jsou připojeny anody ventilů „vd1“ a „vd2“.
3. Napětí přivedené na každou diodu je v opačné fázi („u21“ – „u22“ v diagramu).
4. Během prvního půlcyklu protéká proud otevřenou diodou „vd1“. Jeho anodou protéká pouze proud s kladným potenciálem. Během tohoto půlcyklu je dioda „vd2“ ve stavu obráceného předpětí. Je uzamčen a neumožňuje průchod proudu z vinutí „w22“.
5. Během druhé poloviny cyklu je na anodě „vd2“ přítomen proud s kladným potenciálem, čímž se dioda otevře. Dioda prochází proudem z vinutí „w22“. Dioda „vd1“ zůstane sepnutá.

Celovlnný obvod nulového bodu funguje díky absenci předpětí. Každá polovina sekundárního vinutí pracuje ve svém vlastním polovičním cyklu, což znamená, že transformátor je ve stavu konstantní zátěže.

Obvod s nulovým výstupem má výhody pouze oproti modelu jednocyklového usměrňovače. Hlavní výhody tohoto schématu:

1. Během provozu je proud přenášen z obou potenciálů, čímž se ušetří až 90 % původní energie.
2. 2 diody rovnoměrně rozdělují zátěž, prodlužují jejich životnost a výrazně snižují zátěž celého obvodu.
3. Obvod celovlnného usměrňovače předpokládá vyhlazené zvlnění proudu bez použití vysokonapěťových kapacitních kondenzátorů.

I přes řadu výhod mají jednofázové usměrňovače se dvěma diodami své nevýhody, o kterých bude řeč níže.

Zápory

K ovládání takovéto spojky určitě potřebujete speciální transformátor se 2 sekundárními vinutími nebo jedním odděleným, s nulovým výkonem. Taková zařízení značně zvyšují náklady na výrobu vysokonapěťových, výkonných zařízení.

Velkou nevýhodou je také zpětné proudové zatížení. Obvod musí používat diody se jmenovitým napětím do 1000 voltů a schopností odolávat teplotám do +80 stupňů. Pokud tyto parametry nejsou splněny, pak se při sepnutí diody vytvoří zvýšená teplota a odpor. Překročení parametrů povede k poruše samotné diody.

Další nevýhodou je použití samotného nulového kohoutku. Připojení k němu zahrnuje pouze využití části dostupné energie, což značně snižuje potenciál takových zařízení.

Diodový most

Druhým typem je celovlnný můstkový usměrňovač. Tento model je nejběžnější v obvodech domácích a průmyslových elektronických zařízení. Složení elektronických prvků:

1. Transformátor.
2. 4 polovodičové diody.
3. Kondenzátor pro vyhlazování pulsů.
4. Rezistor jako přídavný odpor.

Zařízení funguje pomocí můstkového obvodu následovně:

1. 4 polovodičové diody jsou vzájemně zapojeny do obvodu. Jinými slovy, tvoří dvojice.
2. Jedna strana každého páru je připojena ke svorkám sekundárního vinutí transformátoru.
3. Další dvě strany jsou připojeny k obvodu (zátěži). V případě prezentovaného obvodu je zátěží odpor „Rн“.
4. Když se vytvoří první půlcyklus, diody „vd1-vd4“ se otevřou a propustí proud do zatěžovacího odporu Rн. Dvojice diod „vd2-vd3“ je uzavřena.
5. Během druhé poloviny cyklu je 1 pár diod (vd1-vd4) uzavřen. Diody „vd2-vd3“ se aktivují. Otevřou a přesměrují proud do rezistoru Rн.

U tohoto typu provozu zůstává efekt zvlnění proudu zachován. Vyhlazuje se pomocí kapacitního kondenzátoru.

Výhody

Celovlnné můstkové usměrnění má oproti obvodům s menším počtem diod jednu nepopiratelnou výhodu. Spočívá v hodnotách zpětně usměrněného proudu a napětí. Tyto hodnoty překračují stejné parametry v jiných schématech dvakrát nebo vícekrát. Můstkový obvod má tedy výrazně vyšší účinnost.

Zápory

Nevýhody diodového můstku spočívají také v počtu diod. Každá ze 4 diod udržuje v zavřené poloze zpětné napětí, které se rovná napětí v půlvlnném usměrňovači. 4 diody tedy nepomohou snížit zatížení sekundárního vinutí zpětným proudem.

Navzdory nevýhodám je obvod můstkového usměrňovače běžnější. Může být namontován jako 4 diody nebo v sestavě. Montáž vypadá jako praktičtější varianta. Na desce plošných spojů zabere méně místa.

Vyhlazení

Jednofázový elektrický celovlnný usměrňovač, bez ohledu na to, kolik diod kombinuje, vyžaduje dodatečné vyhlazení výstupního napětí. Zvlnění značně ovlivňuje provoz samotného zařízení, pro které je takový usměrňovač sestaven. Pro vyhlazení zvlnění proudu je usměrňovací obvod doplněn o filtry. Lze je sbírat z:

1. Vysokokapacitní kondenzátor. Takovým filtrem je kapacitní nebo „C-filtr“. V okamžiku otevření diody je kondenzátor naplněn proudem a hraje roli kapacity. V okamžiku sepnutí diody se kapacita postupně vybije, čímž dojde k vyhlazení napětí bez rázů.
2. Induktory. Induktor jako filtr může být použit jako doplněk nebo místo kondenzátoru. Tento filtr funguje na principu, že nedochází k žádné okamžité změně proudu přes cívku. Při průchodu kladné půlvlny cívkou se hodnota proudu plynule a pomalu zvyšuje. Při změně půlvlny na zápornou hodnotu se proud v cívce mění se zpožděním, což výrazně snižuje ostrost pulsace.

Při návrhu diodových usměrňovačů se bere v úvahu zatížení následných obvodových prvků. Pokud je tedy odpor za usměrňovačem výrazně nízký, není vhodné používat kapacitní filtr. Při nízké zátěži bude potřeba větší kondenzátor. Pro takové obvody s nízkým odporem je tedy racionálnější použít indukční filtr.

Výpočet hodnoty diody

Diody v celovlnných usměrňovačích musí odolat zátěži střídavým proudem, teplem a zpětným napětím. Při výběru diody je třeba vzít v úvahu:

1. Výstupní napětí do diody by mělo být o 15–25 % vyšší než požadovaná hodnota. Například, pokud potřebujete odstranit 12 voltů stejnosměrného napětí, pak sekundární vinutí transformátoru musí produkovat alespoň 15–17 voltů.
2. Prahová hodnota pracovního proudu by měla být jeden a půl až dvakrát vyšší než proud usměrňovače. Maximální proud každé diody v obvodu lze zjistit pomocí následujícího vzorce:
3. Hodnotu odvozenou ze vzorce lze použít k určení hodnoty zpětného napětí v závěrném stavu. Tato hodnota musí být dvojnásobkem výstupního napětí transformátoru, jinak je možný zpětný průraz pn. To se provádí podle následujícího vzorce:

Za zvážení stojí také materiál, který je použit jako polovodič. Křemíkové prvky jsou odolnější vůči zatížení zpětným proudem a jsou schopny pracovat při teplotách až +150 stupňů. Germanium je méně stabilní, jeho odolnost proti zpětnému napětí je asi 400 voltů.

Závěr

Téměř ve všech moderních zařízeních se používá jednofázový celovlnný usměrňovací obvod. Takové prvky jsou levnější, odolné vůči zátěži a umožňují použití diodových sestav a zároveň snižují celkovou velikost obvodu. Je také snadné navrhnout, opravit a doplnit takové obvody sami, přičemž znáte pouze princip činnosti těchto zařízení.

Pro získání stejnosměrného proudu ze střídavého proudu se používají můstkové usměrňovače. Tato zařízení jsou navržena tak, aby využívala specifické vstupní parametry a produkovala proud a napětí, které splňují požadavky zařízení, které má být připojeno.

Použití stejnosměrného a střídavého proudu

V elektrotechnice lze použít stejnosměrný i střídavý proud. Jeho výběr závisí na zařízení, které potřebuje přesně definované napájení. Také při výrobě elektřiny se v některých případech získává střídavé napětí, v jiných konstantní napětí, které je určeno způsobem, kterým se to provádí. Později bude převeden do požadované podoby.

Při přepravě je výhodnější přenášet střídavý proud. Při vstupu do domácích zásuvek má frekvenci 50 Hz. Napětí je 220 voltů. Tyto parametry se mohou v jednotlivých zemích lišit. Pro průmyslová zařízení se nejčastěji používá střídavý proud.

Když konkrétní zařízení vyžaduje konstantní proud, použije se můstkový usměrňovač. Někdy je to nutné pouze pro jednotlivé výstrojní jednotky. V tomto případě jsou usměrňovací obvody součástí odpovídajícího zařízení.

Vlastnosti AC

Parametry střídavého proudu a napětí se mění v souladu se sinusovým zákonem. Nejprve z maximální hodnoty na nulu, poté změní znaménko a začnou růst v absolutní hodnotě. Po dosažení maximální záporné hodnoty se mění v opačném směru. Tento proces probíhá cyklicky. Změny proudu způsobují vytvoření střídavého magnetického pole, které ovlivňuje elektrické procesy zařízení. V některých případech je potřeba sinusový proud usměrnit.

Princip činnosti usměrňovače

Nejprve je třeba převést střídavý proud, aby se získaly požadované parametry proudu a napětí. K tomuto účelu se používá transformátor. Skládá se z feromagnetického rámu se dvěma vinutími. První z nich přijímá střídavý proud z napájecího zdroje. Z druhého se odebere proud a napětí odpovídající potřebným parametrům.

Narovnání probíhá ve dvou fázích. Nejprve se místo sinusového signálu dostane signál, který má pouze kladné půlcykly. Na druhém dochází k usměrnění pomocí kondenzátorů. Současně je na jejich desky přiváděn střídavý signál a vybíjení kondenzátoru jej vyhlazuje. Existují různé typy usměrňovačů, ale jejich obecný princip činnosti do značné míry odpovídá uvedenému popisu.

Klasifikace usměrňovačů

Lze je rozdělit podle různých kritérií. Níže jsou uvedeny nejoblíbenější typy klasifikací:

• Podle počtu polovičních cyklů použitých v práci. V počáteční fázi převodu se získá graf elektrického signálu, který nemá záporné půlcykly. To se provádí jedním ze dvou způsobů. V půlvlnných usměrňovačích jsou jednoduše odstraněny, ale v celovlnných usměrňovačích se místo negativních získají stejné, ale pozitivní. V druhém případě bude kvalita rovnání vyšší.
• Usměrňovače obvykle používají transformátor, ale některé obvody jej nemusí vyžadovat. Toto se praktikuje, když není potřeba provádět předběžnou konverzi napětí a proudu.
• Obvod usměrňovače může obsahovat diodový můstek nebo může pracovat bez něj.
• Existují usměrňovače, které násobí elektrické napětí. Při jejich použití může být hodnota výstupního usměrněného napětí několikanásobně větší než vstupní napětí. Tohoto efektu se obvykle dosáhne současným vybitím několika kondenzátorů.
• Uvažovaná zařízení se liší podle toho, s kolika fázemi jsou schopna pracovat. Nejběžnější jsou jednofázový můstkový usměrňovač a třífázový můstkový usměrňovač, ale mohou být i dvoufázové nebo N-fázové.
• Existují různé typy schémat. Nejrozšířenější jsou diodové, ale používají se i polovodičové, tyristorové, mechanické, vakuové a další.
• Rozhodující je typ přenášené vlny. Na základě tohoto parametru mohou být zařízení analogová, digitální a pulzní.

U každého typu usměrňovače je důležité zvážit kvalitu usměrnění proudu. Jeho typ je volen tak, aby získal signál s potřebnými parametry.

Co je můstkový usměrňovač?

Takové usměrňovače se vyznačují přítomností diodového můstku. Převádějí vstupní sinusový signál na signál, který nemá záporné půlcykly. To lze provést různými způsoby, jejichž výběr určuje kvalitu usměrňovacího můstku.

Obvod můstkového usměrňovače je založen na použití diod. Tyto rádiové součástky používají polovodiče typu p a n. Pokud jimi prochází signál určité polarity, pak prochází beze změn. Pokud se znaménko změní, výstup produkuje nulový proud.

Existují různé možnosti pro můstkové obvody. Nejjednodušší je jednofázový můstkový usměrňovací obvod. Jeho použití poskytuje kladné půlcykly na výstupu, oddělené nulovými sekcemi. Můstkový jednofázový usměrňovač provádí nekvalitní usměrnění.

Při použití složitějších diodových můstků můžete získat signál, ve kterém jsou negativní impulsy nahrazeny stejnými, ale pozitivními. Usměrňovací můstek se čtyřmi diodami poskytuje na výstupu dvoufrekvenční signál.

Třífázový můstkový usměrňovač, jehož obvod obsahuje tři diodové můstky uspořádané paralelně, umožňuje získat usměrnění nejvyšší kvality.

Typy můstkových usměrňovačů

Diodové můstky se liší kvalitou usměrnění a dalšími charakteristikami.

Půlvlnný můstkový usměrňovač

Jednofázový můstkový usměrňovací obvod je považován za nejjednodušší. S jeho pomocí se získá nekvalitní usměrnění s velkým počtem harmonických.

Obvod nepoužívá transformátor. Je použita pouze jedna dioda. Neexistuje žádné vyhlazování pomocí kondenzátorů. Výsledkem činnosti usměrňovače je vznik pozitivních impulsů a vymazání negativních. Navzdory relativně nízké kvalitě práce takové systémy stále nacházejí své uplatnění.

Jedním z příkladů je řízený usměrňovač. Přepínač umožňuje zvolit jeden ze dvou režimů: jasný nebo tlumený. V druhém případě bude proud procházet půlvlnným můstkovým usměrňovačem. V tomto případě se sníží intenzita osvětlení.

Vlastnosti Full Wave Rectifier

V celovlnném obvodu je transformátor. Signál po něm vstupuje do usměrňovacího můstku, kde jsou jeho záporné půlcykly nahrazeny kladnými.

Princip činnosti zařízení je založen na použití středního bodu při připojení k sekundárnímu vinutí. Výsledkem je, že kladný signál prochází jednou z diod usměrňovacího můstku a záporný signál prochází druhou. Nevýhodou tohoto schématu je použití zařízení středního transformátoru, které nemusí být vždy k dispozici.

Pomocí čtyřdiodového můstku

Tento typ usměrňovače poskytuje vysoce kvalitní výstupní signál. Můstek, jehož obvod obsahuje čtyři diody, umožňuje přijímat výstupní kladný impuls v každé půlperiodě.

Abychom porozuměli fungování čtyřdiodového můstku, je nutné studovat, jak funguje v každém půlcyklu. Nejprve se podívejme, jak obvod funguje, za předpokladu, že horní vodič má kladný potenciál a spodní vodič záporný potenciál.

Směr šipek označuje pohyb od mínus do plus. K ovládání proudu slouží dvě diody: levá spodní a pravá horní. Další dva jsou zavřené.

Nyní změňme znaménko potenciálu na vodičích: spodní bude kladný a horní záporný. V tomto případě bude fungovat levá horní a pravá spodní dioda. Zbývající dva zůstávají ve sledovaném období uzavřeny.

Výše uvedené obrázky ukazují tradiční formu usměrňovacího obvodu. Existuje ekvivalentní obvod, který může být pro některé pohodlnější při určování, které diody fungují.

Třífázový můstkový usměrňovač

V každodenním životě se používají především jednofázová zařízení. Pokud potřebujete připojit výkonná zařízení a ve výrobních podmínkách taková potřeba často vzniká, použijte třífázové napájení. V tomto případě bude obvod třífázového můstku vypadat takto:

V tomto zařízení je každá fáze připojena k vlastní dvojici diod. Pokud projde kladný impuls, otevře diodu umístěnou vpravo a zavře diodu vlevo. Když projde záporný impuls, stane se následující: dioda nalevo se otevře a dioda napravo se zavře.

Bez ohledu na to, s jakým znaménkem impuls přichází, je na výstupu převeden na kladný. Graf výstupu signálu vypadá takto:

Výběr diodového můstku

Při výběru diodového můstku je třeba věnovat pozornost následujícím charakteristikám:

• Pouzdro, ve kterém je namontováno. Můstek lze vyrobit z jednotlivých diod, ale pohodlnější je použít již hotový, který je umístěn ve speciálním pouzdře.
• Faktor zvlnění. Toto je název pro poměr amplitudy příchozího signálu k hodnotě usměrněného signálu.
• Maximální proud. Každým obvodem může procházet určitá hodnota. Musí odpovídat provozním podmínkám jednotky.
• Je nutné zvážit, zda je zařízení určeno pro jednofázové nebo třífázové napětí.
• Existují požadavky na velikost zpětného napětí. Při jejím překročení může dojít k průrazu diod, které jsou součástí můstku. Tato část by neměla propouštět záporné impulsy, ale pokud je napětí příliš vysoké, dojde k výboji, který způsobí poruchu diody.

Provádění výpočtů

Účinný usměrňovač musí splňovat určité požadavky. Zejména mluvíme o výstupním proudu, usměrněném napětí a maximální hodnotě zpětného napětí pro použité diody.

Pro sestavení dobře fungujícího obvodu je potřeba správně vypočítat jeho parametry. Zvažte například schéma a výpočet půlvlnného usměrňovače.

Jak je vidět z grafů, vstupní napětí se mění podle sinusového zákona. V tomto případě se průměrná hodnota vypočítá pomocí vzorce:

Efektivní hodnota vstupního napětí se určí takto:

Dále vypočítáme hodnotu elektrického proudu na výstupu z usměrňovače a na sekundárním vinutí transformátoru. Poslední vzorec umožňuje určit koeficient pulzace.

Mezi nevýhody půlvlnného usměrňovače patří vysoký faktor zvlnění. Kvalitnější výstupní signál zajišťuje celovlnný můstek s výstupem ze středního bodu transformátoru.

Výpočet celovlnného můstku se provádí pomocí následujících vzorců:

Výhodou celovlnného obvodu je dvojnásobný výstupní proud a napětí a také výrazně nižší faktor zvlnění.