Poté, co obhájci střídavého proudu z George Westinghouse vyhráli válku proudů, která vypukla koncem 1880. a začátkem 1890. let 1901. století, bylo jen otázkou času, kdy budou k dispozici usměrňovače. Zdůrazněme hlavní body jejich vývoje. První vysoce výkonné usměrňovače se spoléhaly na efekt obloukového výboje ve rtuťových parách. Patent na tento usměrňovač obdržel v roce XNUMX Američan Peter Cooper Hewitt.

Usměrňovače založené na elektrickém oblouku studoval V.F.Mitkevich, který v roce 1901 navrhl schéma usměrnění plné vlny. Obvody jedno- a dvou-půlvlnných usměrňovačů vyvinul v roce 1911 N. D. Papaleksi. V roce 1924 navrhl A. N. Larionov několik usměrňovacích obvodů, které se dodnes používají, navíc na jejich základě vznikly další usměrňovací obvody. Kvalitativní skok ve vývoji usměrňovacích zařízení nastal v 1950. letech XNUMX. století, kdy se objevily první výkonné výkonové diody.

Diodový můstek: princip činnosti

Princip činnosti usměrňovacích obvodů je poměrně jednoduchý a nevyžaduje podrobný popis. Při výběru obvodu usměrňovače a součástí usměrňovače však existují body, kterým není vždy věnována pozornost. Na Obr. Obrázek 1 ukazuje nejjednodušší zapojení půlvlnného usměrňovače pracujícího na aktivní (obr. 1b) a aktivní indukční (obr. 1c) zátěži. V tomto a následujících diagramech jsou použity následující zápisy:

  • i1, u1 – proud a napětí primárního vinutí;
  • i2, e2 – proud a napětí sekundárního vinutí;
  • ia je anodový proud diody;
  • ua je napětí na diodě;
  • id, ud – zátěžový proud a napětí.

Rýže. 1. a) Půlvlnný usměrňovač; časový diagram činnosti: b) pro aktivní zátěž; c) pro aktivní indukční zátěž

U aktivní zátěže, když jsou proud a napětí ve fázi, je průměrné usměrněné napětí na zátěži určeno integrací půlvlny sinusoidy napětí:

kde: je hodnota amplitudy usměrněného sekundárního napětí.

Zde a dále, pro zjednodušení analýzy, nebudeme brát v úvahu pokles napětí na usměrňovacích diodách.

Při provozu na aktivní indukční zátěži (obr. 1c) se proud zpožďuje ve fázi s napětím a usměrňovací dioda se nezavře, dokud indukční proud neklesne na nulu. Usměrňovací dioda tedy zůstává otevřená i při záporném napětí na sekundárním vinutí, proto se usměrněné napětí snižuje. Aby se tomuto efektu zabránilo, je nutné paralelně s indukční zátěží zapojit volnoběžnou diodu, která tvoří uzavřený obvod pro indukční proud.

Při půlvlnném usměrnění, kdy zatěžovací proud protéká transformátorem pouze půl periody, se v zatěžovacím proudu objevuje konstantní složka a v důsledku toho magnetizace jádra transformátoru. Navíc, čím menší je celkový výkon transformátoru, tím větší je účinek zatěžovacího proudu. Půlvlnný usměrňovač se nejčastěji používá, když výkon zátěže nepřesahuje několik wattů. Frekvence zvlnění usměrněného napětí v takovém usměrňovači je rovna frekvenci napájecí sítě.

READ
Co je součástí vstupní skupiny MKD?

Rýže. 2. a) Můstkový diodový usměrňovací můstek; časový diagram práce: a) pro aktivní zátěž; c) pro aktivní indukční zátěž

Můstkový diodový usměrňovací můstek a časové schéma jeho činnosti je na Obr. 2. Je snadné vidět, že napětí usměrněné zátěže diodového můstku je dvakrát větší než u půlvlnného usměrňovače a je 0,9U2. Také při použití diodového můstku nedochází k magnetizaci jádra transformátoru. Frekvence zvlnění (základní harmonická) usměrněného napětí v můstkovém usměrňovači je dvojnásobkem síťové frekvence.

Aplikace diodových usměrňovačů

V obvodech středního a vysokého výkonu nad stovky Wattů se používá třífázová síť a buď třífázový usměrňovač s nulovým vodičem (Larionovův obvod) nebo třífázový diodový můstek. Každý z nich má své výhody a nevýhody, které jsme promítli do tabulky.

Stůl. Porovnání třífázového diodového usměrňovače a můstku

Třífázový diodový usměrňovač s nulovým vodičem (obvod Larionov)

Třífázový diodový můstek

Zatěžovací proud prochází pouze jednou diodou, proto je úbytek napětí na diodách nižší

Minimální výkon transformátoru

Zatěžovací proud prochází 2 diodami. V důsledku toho na nich dochází k většímu poklesu napětí, což může být kritické při nízkém usměrněném napětí

Používá se méně diod

Zpětné napětí na diodách je dvakrát vyšší než v můstkovém obvodu a je 2,09 Ud

Zpětné napětí na diodách je poloviční než v Larionově obvodu a je 1,045 Ud

Snadno ovladatelný, ekonomický

Nízké zvlnění usměrněného napětí

Rýže. 3. a) Třífázový diodový usměrňovací můstek; b) časový diagram práce

Zpravidla se při vysokém výkonu používá třífázový obvod diodového můstku. Je to znázorněno na Obr. 3. Stejný obrázek ukazuje časové diagramy diodového můstku. Při použití diodového můstku bude průměrné usměrněné napětí na zátěži 1,35U2 – to je maximální usměrněné napětí, které lze získat při použití usměrňovačů uvedených v článku. Vyšší hodnotu usměrněného napětí lze získat pouze zvýšením počtu fází sítě.

Schéma diodového můstku

Téměř všechna elektronická zařízení vyžadují ke svému provozu určité množství stejnosměrného napětí. Do elektrické sítě je přenášen sinusový signál o frekvenci 50 Hz. K převodu signálu se využívá vlastnosti polovodičových prvků propouštět proud pouze jedním směrem a blokovat jeho průchod ve druhém. Jako převodník je použit obvod diodového můstku, který umožňuje získat na výstupu konstantní signál.

READ
Jak se nazývají nohy stolu?

Fyzikální vlastnosti pn přechodu

Hlavním prvkem použitým k vytvoření sestavy usměrňovače je dioda. Jeho činnost je založena na přechodu elektron-díra (pn).

Obecně přijímaná definice říká: pn přechod je oblast prostoru nacházející se na rozhraní mezi dvěma polovodiči různých typů. V tomto prostoru se tvoří přechod typu n na typ p. Hodnota vodivosti závisí na atomové struktuře materiálu, konkrétně na tom, jak silně atomy drží elektrony. Atomy v polovodičích jsou uspořádány v mřížce a elektrony jsou k nim přichyceny elektrochemickými silami. Sám o sobě je takový materiál dielektrikum. Buď vede proud špatně, nebo jej nevede vůbec. Pokud se ale do mřížky přidají atomy určitých prvků (doping), fyzikální vlastnosti takového materiálu se dramaticky změní.

Obvod usměrňovací diody

Přimíšené atomy začnou tvořit, v závislosti na jejich povaze, volné elektrony nebo díry. Vytvořený přebytek elektronů tvoří záporný náboj a díry – kladný.

Přebytek náboje stejného znaménka způsobuje, že se nositelé odpuzují, zatímco oblast s opačným nábojem je k sobě má tendenci přitahovat. Elektron, pohybující se, zabírá volný prostor, díru. Zároveň se na jeho starém místě také vytvoří díra. V důsledku toho jsou vytvořeny dva toky pohybu nábojů: jeden hlavní a druhý zpětný. Materiál se záporným nábojem používá jako hlavní nosiče elektrony, nazývá se polovodič typu n a s kladným nábojem pomocí děr se nazývá polovodič typu p. V polovodičích obou typů tvoří vedlejší náboje proud, který je obrácený k pohybu hlavních nábojů.

V radioelektronice se germanium a křemík používají z materiálů k vytvoření pn přechodu. Při dotování krystalů těchto látek vzniká polovodič s různou vodivostí. Například zavedení boru vede ke vzniku volných děr a vzniku vodivosti typu p. Přidání fosforu naopak vytvoří elektrony a polovodič se stane n-typem.

Princip činnosti diody

Dioda je polovodičová součástka, která má nízký odpor vůči proudu v jednom směru a zabraňuje jeho proudění v opačném směru. Fyzicky se dioda skládá z jednoho pn přechodu. Konstrukčně se jedná o prvek obsahující dva výstupy. Svorka připojená k oblasti p se nazývá anoda a svorka připojená k oblasti n se nazývá katoda.

Když dioda funguje, existují tři stavy:

  • na svorkách není žádný signál;
  • je pod vlivem přímého potenciálu;
  • je pod obráceným potenciálem.

Propustný potenciál je signál, kdy je kladný pól zdroje energie připojen k oblasti typu p polovodiče, jinými slovy, polarita vnějšího napětí se shoduje s polaritou hlavních nosičů. Při obráceném potenciálu je záporný pól připojen k oblasti p a kladný pól k oblasti n.

READ
Jak dlouho trvá, než macešky vyraší?

Diodový most

V oblasti, kde se spojuje materiál typu n a p, existuje potenciální bariéra. Je tvořen rozdílem kontaktních potenciálů a je v rovnovážném stavu. Výška bariéry nepřesahuje desetiny voltu a brání pohybu nosičů náboje hluboko do materiálu.

Pokud je k zařízení připojeno stejnosměrné napětí, pak se velikost potenciálové bariéry zmenšuje a prakticky neodolává toku proudu. Jeho hodnota roste a závisí pouze na odporu p- a n-oblastí. Když je aplikován reverzní potenciál, hodnota bariéry se zvyšuje, protože elektrony opouštějí n-oblast a díry opouštějí p-oblast. Vrstvy se vyčerpávají a zvyšuje se odpor bariéry proti průchodu proudu.

Hlavním indikátorem prvku je charakteristika proud-napětí. Ukazuje vztah mezi potenciálem, který je na něj aplikován, a proudem, který jím protéká. Tato charakteristika je prezentována ve formě grafu, který ukazuje dopředný a zpětný proud.

Jednoduchý obvod usměrňovače

Sinusové napětí je periodický signál, který se v čase mění. Z matematického hlediska je popsána funkcí, ve které počátek souřadnic odpovídá času rovnému nule. Signál se skládá ze dvou půlvln. Půlvlna umístěná v horní části souřadnic vzhledem k nule se nazývá pozitivní půlcyklus a ve spodní části – negativní.

Když je na diodu přivedeno střídavé napětí přes zátěž připojenou k jejím svorkám, začne protékat proud. Tento proud je způsoben tím, že v okamžiku přijetí kladného půlcyklu vstupního signálu se dioda otevře. V tomto případě je kladný potenciál aplikován na anodu a záporný potenciál na katodu. Když se vlna změní na negativní půlcyklus, dioda se zablokuje, protože se změní polarita signálu na jejích svorkách.

Ukazuje se tedy, že dioda, jak to bylo, odřízne zápornou půlvlnu a nepřenese ji do zátěže a na ní se objeví pulzující proud pouze jedné polarity. V závislosti na frekvenci přiváděného napětí a pro průmyslové sítě je to 50 Hz se mění i vzdálenost mezi impulsy. Tento typ proudu se nazývá usměrněný a samotný proces se nazývá půlvlnné usměrnění.

Usměrňovací můstek

Usměrněním signálu pomocí jediné diody je možné napájet zátěž, která neklade zvláštní požadavky na kvalitu napětí. Například vlákno. Pokud ale napájíte např. přijímač, tak se objeví nízkofrekvenční brum, jehož zdrojem bude mezera, která vzniká mezi pulzy. Abychom se zbavili nedostatků půlvlnného usměrnění, je do určité míry použit kondenzátor zapojený paralelně se zátěží spolu s diodou. Tento kondenzátor se bude nabíjet, když přijdou impulsy, a vybíjí se, když nejsou v zátěži. Čím větší je tedy hodnota kapacity kondenzátoru, tím je proud na zátěži vyhlazený.

Ale nejvyšší kvality signálu lze dosáhnout, pokud se pro usměrnění použijí současně dvě půlvlny. Zařízení, které toto umožňuje, se nazývá diodový můstek, nebo jinak řečeno usměrňovač.

Diodový most

Takovým zařízením je elektrické zařízení sloužící k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud. Fráze „diodový můstek“ je vytvořena ze slova „dioda“, což znamená použití diod v něm. Obvod usměrňovače diodového můstku závisí na střídavé síti, ke které je připojen. Síť může být:

  • jednofázový;
  • třífázový.
READ
Jaký tvar má skluzavka?

V závislosti na tom se usměrňovací můstek nazývá Graetzův můstek nebo Larionovův usměrňovač. V prvním případě jsou použity čtyři diody a ve druhém je zařízení sestaveno pomocí šesti.

Proč potřebujete diodový můstek?

První obvod usměrňovače byl sestaven pomocí rádiových elektronek a byl považován za složité a drahé řešení. Ale s rozvojem polovodičové technologie diodový můstek zcela nahradil alternativní způsoby usměrnění signálu. Místo diod se zřídka používají selenové sloupky.

Konstrukce a vlastnosti zařízení

Konstrukčně je usměrňovací můstek tvořen soustavou jednotlivých diod nebo litým pouzdrem se čtyřmi vývody. Tělo může být ploché nebo válcové. Ikony na těle přístroje označují dle uznávaného standardu svorky pro připojení střídavého napětí a výstupního konstantního signálu. Usměrňovače s pouzdrem s otvorem jsou určeny pro montáž na radiátor. Hlavní vlastnosti usměrňovacího můstku jsou:

  1. Nejvyšší propustné napětí. Toto je maximální hodnota, při které parametry zařízení nepřekračují přípustné limity.
  2. Nejvyšší přípustné zpětné napětí. To je maximální pulzní napětí, při kterém můstek funguje dlouho a spolehlivě.
  3. Maximální provozní usměrňovací proud. Udává průměrný proud protékající můstkem.
  4. Maximální frekvence. Frekvence napětí přiváděného do můstku, při které zařízení funguje efektivně a nepřekračuje povolené vytápění.

Překročení charakteristik usměrňovače vede k prudkému snížení jeho životnosti nebo poruše pn přechodů. Je třeba poznamenat, že všechny parametry diody jsou indikovány pro okolní teplotu 20 stupňů. Mezi nevýhody použití můstkového usměrňovacího obvodu patří vyšší úbytek napětí ve srovnání s půlvlnným obvodem a nižší hodnota účinnosti. Pro snížení ztrát a snížení zahřívání se můstky často vyrábějí pomocí rychlých Schottkyho diod.

Schéma připojení zařízení

Na elektrických obvodech a deskách plošných spojů je diodový usměrňovač označen ikonou diody nebo latinkou. Pokud je usměrňovač sestaven z jednotlivých diod, pak je vedle každé umístěno označení VD a číslo udávající sériové číslo diody v obvodu. Štítky VDS nebo BD se používají zřídka.

Diodový usměrňovač lze připojit přímo do sítě 220 V nebo za snižovací transformátor, ale jeho připojovací obvod zůstává nezměněn.

Na jakých principech je založena činnost usměrňovacího zařízení?

Když signál dorazí v každé půlcyklu, proud bude moci protékat pouze vlastním párem diod a opačný pár bude pro něj blokován. Pro kladný půlcyklus budou VD2 a VD3 otevřené a pro záporný půlcyklus VD1 a VD4. Výsledkem bude, že výstup bude konstantní signál, ale jeho pulzační frekvence bude dvojnásobná. Pro omezení zvlnění výstupního signálu je použito paralelní zapojení kondenzátoru C1 jako u jedné diody. Takový kondenzátor se také nazývá vyhlazovací kondenzátor.

READ
Co je stálá garáž?

Ale stává se, že diodový můstek je umístěn nejen ve střídavé síti, ale je také připojen k již usměrněné. Proč je v takovém obvodu zapotřebí diodový můstek, bude jasné, pokud budete věnovat pozornost tomu, které obvody používají takové zapojení. Tyto obvody zahrnují použití radiových prvků, které jsou citlivé na reverzaci výkonu. Použití můstku umožňuje jednoduchou, ale účinnou a spolehlivou ochranu. V případě nesprávného připojení polarity napájení nedojde k poruše radiových prvků instalovaných za mostem.

Zdravotní prohlídka

Tento typ elektronického zařízení lze zkontrolovat bez jeho odpájení z obvodu, protože v návrzích zařízení není použito žádné bočníky. V případě usměrňovače sestaveného z diod se kontroluje každá dioda samostatně. A v případě monolitického pouzdra se měření provádějí na všech čtyřech jeho svorkách.

Podstatou testu je kontrola diod na zkrat pomocí multimetru. Chcete-li to provést, provedou se následující kroky:

  1. Multimetr se přepne do režimu diody nebo odporových obratlů.
  2. Zástrčka jednoho vodiče (černá) se zasune do společné zdířky testeru a druhá (červená) do zdířky pro zkoušku odporu.
  3. Se sondou připojenou k černému drátu se dotkněte první nohy a sondou červeného drátu se dotkněte třetího kolíku. Tester by měl ukazovat nekonečno a pokud změníte polaritu vodičů, multimetr ukáže přechodový odpor.
  4. Mínus testeru se přivádí na čtvrtou nohu a plus na třetí. Multimetr ukáže odpor, při změně polarity nekonečno.
  5. Mínus na prvním úseku plus na druhém. Tester ukáže otevřený přechod a při změně uzavřený přechod.

Takové hodnoty testeru ukazují provozuschopnost usměrňovače. Pokud nemáte multimetr, můžete použít běžný voltmetr. Ale v tomto případě budete muset napájet obvod a měřit napětí na vyhlazovacím kondenzátoru. Jeho hodnota by měla překročit vstupní hodnotu 1,4krát.