Usměrňovač je elektronické zařízení určené k přeměně elektrické energie střídavého proudu na stejnosměrný proud. Základem usměrňovačů jsou polovodičová zařízení s jednosměrnou vodivostí – diody a tyristory.
Při malé zátěži (až několik stovek wattů) se přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud provádí pomocí jednofázových usměrňovačů. Takové usměrňovače jsou navrženy tak, aby dodávaly stejnosměrný proud různým elektronickým zařízením, budícím vinutím stejnosměrných motorů s nízkým a středním výkonem atd.
Pro zjednodušení pochopení činnosti usměrňovacích obvodů budeme vycházet z výpočtu, že usměrňovač pracuje na aktivní zátěži.
Jednofázový půlvlnný (jednocyklový) usměrňovací obvod
Obrázek 1 ukazuje nejjednodušší usměrňovací obvod. Obvod obsahuje jednu usměrňovací diodu zapojenou mezi sekundární vinutí transformátoru a zátěž.
Obrázek 1 – Jednofázový půlvlnný usměrňovač: a) obvod – dioda otevřená, b) obvod – dioda zavřená, c) časová schémata činnosti
Napětí u2 se mění sinusově, tzn. obsahuje kladné a záporné půlvlny (půlcykly). Proud v zatěžovacím obvodu prochází pouze v kladných půlcyklech, kdy je kladný potenciál přiveden na anodu diody VD (obr. 1, a). Při přepólování napětí u2 je dioda uzavřena, v zátěži neteče proud, ale na diodu je přivedeno zpětné napětí Urev (obr. 1, b).
Že. Na zátěži se uvolní pouze jedno půlvlnné napětí sekundárního vinutí. Proud v zátěži teče pouze jedním směrem a je to usměrněný proud, i když má pulzující charakter (obr. 1, c). Tato forma napětí (proudu) se nazývá konstantní puls.
Usměrněná napětí a proud obsahují stejnosměrnou (užitečnou) složku a střídavou složku (vlnění). Kvalitativní stránka činnosti usměrňovače se posuzuje podle vztahu mezi užitečnou složkou a zvlněním napětí a proudu. Faktor zvlnění tohoto obvodu je 1,57. Průměrná hodnota usměrněného napětí za dobu je Un = 0,45U2. Maximální hodnota zpětného napětí na diodě je Urev.max = 3,14 Un.
Výhodou tohoto zapojení je jeho jednoduchost, nevýhodami jsou: špatné využití transformátoru, vysoké zpětné napětí na diodě, vysoký činitel zvlnění usměrněného napětí.
Jednofázový můstkový usměrňovací obvod
Skládá se ze čtyř diod zapojených do můstkového obvodu. Na jednu diagonálu můstku je připojeno sekundární vinutí transformátoru a na druhou zátěž (obr. 2). Společným bodem katod diod VD2, VD4 je kladný pól usměrňovače, společným bodem anod diod VD1, VD3 je záporný pól.
Obrázek 2 – Jednofázový můstkový usměrňovač: a) obvod – usměrnění kladné půlvlny, b) usměrnění záporné půlvlny, c) časová schémata činnosti
Polarita napětí v sekundárním vinutí se mění s frekvencí napájecí sítě. Diody v tomto obvodu pracují střídavě v párech. Během kladné půlperiody napětí u2 vedou diody VD2, VD3 proud a na diody VD1, VD4 je přivedeno zpětné napětí a jsou uzavřeny. Během záporné půlperiody napětí u2 protéká proud diodami VD1, VD4 a diodami VD2, VD3 jsou uzavřeny. Proud v zátěži teče vždy jedním směrem.
Obvod je celovlnný (push-pull), protože Obě půlcykly síťového napětí jsou přiděleny na zátěži: Un = 0,9U2, koeficient zvlnění je 0,67.
Použití můstkového obvodu pro připojení diod umožňuje použít jednofázový transformátor k usměrnění dvou půlcyklů. Kromě toho je zpětné napětí aplikované na diodu 2krát menší.
Stejnosměrné napájení středních a velkých spotřebičů je vyrobeno z třífázových usměrňovačů, jejichž použití snižuje proudové zatížení diod a snižuje faktor zvlnění.
Třífázový můstkový usměrňovací obvod
Obvod se skládá ze šesti diod, které jsou rozděleny do dvou skupin (obr. 2.61, a): katoda – diody VD1, VD3, VD5 a anoda VD2, VD4, VD6. Zátěž je zapojena mezi spojovací body katod a anod diod, tzn. k diagonále narovnaného mostu. Obvod je připojen do třífázové sítě.
Obrázek 3 – Třífázový můstkový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti
V každém okamžiku protéká zátěžový proud dvěma diodami. V katodové skupině během každé třetiny periody pracuje dioda s nejvyšším anodovým potenciálem (obr. 3, b). V anodové skupině během této části periody pracuje dioda, jejíž katoda má nejvíce záporný potenciál. Každá z diod pracuje jednu třetinu periody. Faktor zvlnění tohoto obvodu je pouze 0,057.
Řízené usměrňovače jsou usměrňovače, které spolu s usměrněním střídavého napětí (proudu) zajišťují regulaci velikosti usměrněného napětí (proudu).
Řízené usměrňovače se používají k regulaci rychlosti otáčení stejnosměrných motorů, jasu žárovek, při nabíjení baterií atd.
Řízené obvody usměrňovače jsou postaveny na tyristorech a jsou založeny na řízení otevíracího momentu tyristorů.
Obrázek 4a ukazuje schéma jednofázového řízeného usměrňovače. Aby bylo možné usměrnit dvě půlvlny síťového napětí, používá se transformátor s dvoufázovým sekundárním vinutím, ve kterém se tvoří dvě napětí s opačnými fázemi. V každé fázi je zapnutý tyristor. Kladná půlperioda napětí U2 je usměrněna tyristorem VS1 a záporná půlperioda VS2.
Řídicí obvod řídicího systému generuje impulsy k otevření tyristorů. Časování otevíracích impulsů určuje, jaká část půlvlny je přidělena zátěži. Tyristor se odblokuje za přítomnosti kladného napětí na anodě a otevíracího impulsu na řídicí elektrodě.
Pokud impuls dorazí v čase t0 (obr. 4,b), je tyristor během celého půlcyklu otevřen a na zátěž je přivedeno maximální napětí, pokud v čase t1, t2, t3, pak pouze část sítě napětí se uvolní v zátěži.
Obrázek 4 – Jednofázový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti
Úhel zpoždění, počítaný od okamžiku přirozeného odblokování tyristoru, vyjádřený ve stupních, se nazývá řídicí nebo regulační úhel a označuje se písmenem α. Změnou úhlu α (fázový posun řídicích impulsů vůči napětí na anodách tyristorů) měníme dobu otevření tyristorů a podle toho i usměrněné napětí na zátěži.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Usměrňovače jsou jednou z nejdůležitějších elektronických součástek, které přeměňují střídavý proud na stejnosměrný proud. Tato zařízení jsou široce používána v různých oblastech, jako je průmysl, energetika, radioelektronika a mnoho dalších.
Existuje mnoho různých typů usměrňovačů, z nichž každý má své vlastní vlastnosti a použití. V tomto článku se podíváme na hlavní typy usměrňovačů, jejich principy fungování, výhody a nevýhody a také oblasti použití.
Usměrňovače v historii
V historii elektrotechniky bylo použito několik metod k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný proud. Některé z nich jsou dnes již zastaralé nebo se prakticky nepoužívají, přesto je důležité o nich vědět.
Mechanické usměrňovače
Mechanické usměrňovače jsou jednou z prvních metod přeměny střídavého proudu na stejnosměrný a byly vyvinuty na počátku XNUMX. století. Fungují na bázi mechanického usměrňování proudu, kdy pohybující se magnetický systém rotuje uvnitř statoru s několika vinutími.
Princip činnosti mechanického usměrňovače spočívá v tom, že rotující magnety vytvářejí střídavé magnetické pole, které prochází statorem obsahujícím několik vinutí. Tato vinutí jsou zapojena do série a pomocí komutátoru vytvářejí na výstupu konstantní napětí.
Mechanické usměrňovače byly běžné v první polovině XNUMX. století, zejména v průmyslových zařízeních, jako jsou vodní elektrárny, kde bylo potřeba přeměnit střídavý proud generovaný generátory na stejnosměrný proud pro elektrické pohony.
Měly však řadu problémů, včetně vysoké ceny, potíží s údržbou a omezeného rozsahu výkonu, což vedlo k tomu, že se s rozvojem elektronických technologií postupně staly minulostí.
V současné době se mechanické rovnačky používají velmi zřídka, pokud se nepoužívají jako starožitnosti nebo dekorativní předměty. Místo toho se hojně používají elektronické usměrňovače, které mají vyšší účinnost a přesnost a jsou také mnohem kompaktnější a spolehlivější.
Trubkové usměrňovače
Elektronkové usměrňovače jsou elektronická zařízení, která využívají elektronky (vakuové elektronky, vakuové diody) k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. Taková zařízení byla v minulosti široce používána v elektroenergetice, stejně jako v rozhlasových a televizních zařízeních.
Elektronkový usměrňovač funguje na základě jevu emise elektronů, tedy uvolňování elektronů z povrchu žhavené katody výbojky. Katoda a anoda (nebo více anod) lampy jsou umístěny uvnitř vakuové komory, což umožňuje elektronům volně se pohybovat od katody k anodě.
Pokud je na katodě záporné napětí a na anodě kladné napětí, elektrony se přesunou z katody na anodu a vytvoří proud v jednom směru. Když se změní směr střídavého proudu na katodě, napětí na anodě se stane záporným a proud nemůže protékat tímto směrem.
Jedním z nejběžnějších typů elektronkových usměrňovačů je vakuová dioda, která se skládá ze dvou elektrod: katody a anody, oddělených vakuem.
Vakuová dioda může usměrňovat proud pouze v jednom směru, což umožňuje její použití k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný.
Elektronkové usměrňovače měly řadu výhod, jako je vysoká spolehlivost, schopnost pracovat s vysokými napětími a proudy a malá závislost na změnách teplot. Ve srovnání s polovodičovými usměrňovači však byly drahé a pomalé a díky rozvoji polovodičové technologie se postupně přestaly používat.
V současné době se elektronkové usměrňovače používají především v audiofilských zařízeních a pro vytváření efektů v kytarových zesilovačích.
Rtuťové usměrňovače
Rtuťový usměrňovač je elektronické zařízení určené k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud. Využívá vlastnosti rtuti, která je v kapalném skupenství vodičem a v plynném izolantem.
Rtuťový usměrňovač obvykle používá dvě elektrody umístěné uvnitř skleněné baňky naplněné rtutí.
Když se na jednu z elektrod přivede kladné napětí, začnou se na tuto elektrodu přenášet elektrony ze rtuti. V tomto okamžiku se rtuť stává vodičem a proud začíná protékat usměrňovačem v jednom směru. Když se na elektrodu přivede záporné napětí, elektrony se vrátí do rtuti a ta se opět stane izolantem.
Rtuťové usměrňovače byly běžné během elektronkové éry, kdy byla potřeba vysokonapěťový stejnosměrný proud do výkonových elektronkových zesilovačů a dalších zařízení. Postupem času je ale nahradily účinnější a ekonomičtější polovodičové usměrňovače, které mají menší celkové rozměry, nižší ztráty a hlučnost.
Rtuťové usměrňovače se však stále používají v některých průmyslových odvětvích, například v elektrochemické výrobě, kde se používají k výrobě stejnosměrného proudu o vysokém výkonu.
Feritové usměrňovače
Feritový usměrňovač je zařízení, které převádí střídavý proud na stejnosměrný proud pomocí diod a feritových kroužků. Byly vynalezeny ve 1930. letech XNUMX. století a představovaly průlom v elektronice, protože umožňovaly usměrňování proudu bez použití elektronek, které byly drahé, neefektivní a nespolehlivé.
Feritové kroužky ve feritových usměrňovačích byly použity k vytvoření magnetického pole potřebného k vyrovnání elektronů pohybujících se ve stejném směru přes diody. Proud procházející cívkou na feritovém prstenci vytvořil magnetické pole, které přitahovalo elektrony proudící diodou k anodě. Výsledkem byl stejnosměrný proud.
Feritové usměrňovače byly široce používány v televizních a rozhlasových zařízeních, stejně jako ve výkonové elektronice. Postupem času je však nahradily modernější polovodičové usměrňovače, jako jsou diody a tyristory, které jsou účinnější a levnější.
Oxid měďnatý nebo měďnaté usměrňovače
Měděno-zinkový usměrňovač, také známý jako měďnatý usměrňovač, je jedním z prvních typů polovodičových usměrňovačů. Byl vynalezen v roce 1874 americkým vědcem Josephem Swanem.
Cuproxy usměrňovač se skládá z měděné desky, na které je vrstva oxidu zinečnatého. Tato vrstva oxidu zinečnatého působí jako polovodič, který umožňuje proudění proudu pouze jedním směrem a také usměrňuje střídavý proud a mění jej na stejnosměrný proud.
Cuproxový usměrňovač měl některé výhody oproti dřívějším mechanickým a elektrickým vakuovým usměrňovačům, ale měl také nevýhody, jako je nízká účinnost a nestabilita v provozu.
Byl široce používán na počátku 20. století, ale později byl nahrazen účinnějšími polovodičovými usměrňovači. V současné době má měďnatý usměrňovač historický význam a v moderních přístrojích a zařízeních se používá jen zřídka.
Selenové usměrňovače
Selenové usměrňovače jsou typem polovodičového usměrňovače, který byl široce používán v elektronice v polovině 20. století.
Selenový usměrňovač je krystal vyrobený ze selenu, což je polovodič. Má vlastnosti, které umožňují jeho použití jako usměrňovač střídavého proudu.
Selenový usměrňovač funguje tak, že při průchodu proudu mění své vlastnosti. Když proud protéká selenem, mění se jeho struktura a vlastnosti, což mu umožňuje procházet proud pouze jedním směrem, čímž dochází k usměrnění střídavého proudu.
Selenové usměrňovače měly oproti elektronkovým usměrňovačům řadu výhod. Byly kompaktnější, levnější a měly nižší spotřebu.
Selenové usměrňovače však měly i nevýhody, jako nižší spolehlivost a životnost oproti elektronkovým.
V dnešní době se již selenové usměrňovače v elektronice nepoužívají, protože je nahradily účinnější polovodičové usměrňovače jako křemík nebo germanium. Zůstávají však zajímavým předmětem studia a sběru pro nadšence elektroniky a historiky technologií.
Polovodičové usměrňovače
Vývoj polovodičových usměrňovačů má dlouhou historii, která sahá až k vynálezu prvních diod na počátku 20. století. První polovodičové usměrňovače schopné poskytovat průmyslovou energii se však objevily až v polovině 20. století.
První polovodičové usměrňovače byly vyrobeny z germania, křemíku a dalších polovodičových materiálů.
V 1950. letech se objevila výkonová polovodičová zařízení jako tyristory a Schottkyho diody, které měly vysoký výkon a vysokou spolehlivost. Tato zařízení se široce používají v elektroenergetice, průmyslu a dalších odvětvích, která vyžadují přeměnu elektrické energie.
S rozvojem technologie polovodičových materiálů a výroby polovodičových součástek byly vytvořeny nové typy usměrňovačů, jako jsou vysoce výkonné tyristorové moduly a invertory, které poskytují vyšší výkon a účinnost.
Polovodičová zařízení jsou dnes široce používána v mnoha oblastech, jako je výroba energie, doprava, informační technologie, průmysl a domácí spotřebiče. Jsou nedílnou součástí moderní elektrotechniky a významně ovlivňují účinnost a spolehlivost mnoha zařízení a systémů.
Typy usměrňovačů podle míry využití půlcyklů střídavého napětí
Usměrňovače lze rozdělit do dvou typů v závislosti na stupni využití střídavých půlcyklů:
- Plně sinusové usměrňovače: využívají oba půlcykly střídavého proudu. Výstupní stejnosměrný proud má tedy téměř konstantní hodnotu, protože obě půlcykly vstupního střídavého proudu jsou využity pro generování stejnosměrného proudu. Tento typ usměrňovače se obvykle používá v aplikacích s vysokými požadavky na kvalitu DC, jako jsou napájecí zdroje pro elektronická zařízení, audio zesilovače a další zařízení.
- Půlvlnné usměrňovače: používají pouze jeden půlcyklus střídavého proudu. Výstupní stejnosměrný proud má tedy značné zvlnění, což může být pro některé aplikace nepřijatelné. Půlvlnné usměrňovače se obvykle používají v nízkoproudých aplikacích, jako jsou nabíječky baterií, kde je vyžadováno jednoduché, levné stejnosměrné napájení.
Nejběžnější polovodičové usměrňovače, které jsou dnes k dispozici, jsou však buď plné sinusové nebo půlvlnné, v závislosti na typu obvodu použitého k usměrnění střídavého proudu.
Typy usměrňovačů podle rektifikačního schématu
Existuje několik typů usměrňovačů podle usměrňovacího obvodu:
- Jednofázové usměrňovače s jednou diodou – Jedná se o nejjednodušší usměrňovače, které se používají, když není vyžadován velký výstupní proud. Používají se v napájecích zdrojích pro elektronická zařízení a další malé aplikace.
- Jednofázové můstkové usměrňovače jsou účinnější usměrňovače, které používají čtyři diody k usměrnění celého cyklu vstupního signálu. Tento usměrňovací obvod se používá ve většině domácích a průmyslových aplikací, včetně napájecích zdrojů pro počítače, LED lampy a další elektronická zařízení.
- Třífázové usměrňovače jsou usměrňovače, které využívají k vytvoření stejnosměrného proudu tři fáze střídavého napětí. Tento usměrňovací obvod se používá v průmyslových aplikacích, kde je vyžadován vysoký výstupní proud.
- Středové usměrňovače je usměrňovací obvod, který se používá k vytvoření vysokého stejnosměrného napětí z nízkonapěťového střídavého napětí. Používá se v laboratorních a vědeckých aplikacích, kde je vyžadována výroba vysokého napětí.
- Kaskádové usměrňovače jsou složité usměrňovací obvody, které využívají více stupňů diod a kondenzátorů k výrobě vysokého stejnosměrného napětí. Tento usměrňovací obvod se používá ve vysokonapěťových aplikacích, jako jsou televizní a radarové vysílače.
Moderní řízené usměrňovače AC na DC
Moderní řízené AC-DC usměrňovače jsou klíčovým prvkem moderních měničů elektrické energie. Používají se v celé řadě průmyslových a domácích zařízení, jako jsou frekvenční měniče, svářečky, počítačové napájecí jednotky a mnoho dalších.
Oblíbeným typem moderních řízených usměrňovačů jsou usměrňovače IGBT.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) je polovodičové zařízení, které má vlastnosti tranzistoru a tyristoru.
Skládají se z IGBT (insulation-gate-bipolar transistor) tranzistorů a diod, které plní funkci usměrnění střídavého proudu.
Hlavní výhodou IGBT usměrňovačů je, že mohou být řízeny řídicím signálem, což umožňuje přesné řízení výstupního napětí a proudu. To umožňuje jejich použití v různých aplikacích, včetně solárních a větrných elektráren, průmyslových invertorů a dalších. Vyznačují se také vysokou spolehlivostí a dlouhou životností.
V budoucnu se se zlepšováním technologie a vývojem nových materiálů očekávají další vylepšení IGBT usměrňovačů, díky nimž budou ještě účinnější, spolehlivější a kompaktnější.
Usměrňovače v měnírnách vysokého napětí
Vysokonapěťové usměrňovače lze klasifikovat podle typu řízení a schématu síťového připojení.
Jedním z nejběžnějších typů řízení je fázově řízený usměrňovač (Pulse Width Modulation – PWM), který umožňuje regulovat výstupní napětí a proud.
Takové usměrňovače používají polovodičové spínače, jako jsou IGBT nebo GTO, které jsou řízeny pomocí vysokofrekvenčních impulsů. Tento typ řízení umožňuje vysoce přesnou regulaci výstupního napětí a proudu a také zajišťuje vysokou účinnost konverze.
Jako příklad vysokonapěťových usměrňovačů lze uvést HVDC měnírny, které slouží k přenosu stejnosměrné elektřiny na velké vzdálenosti. Takové systémy mohou mít kapacitu několik megawattů až několik gigawattů a používají se k přenosu elektřiny mezi zeměmi nebo regiony.
Tyto systémy využívají pokročilé polovodičové usměrňovače, jako jsou IGBT, které poskytují vysokou účinnost a přesnost řízení.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
