Historycznie bardziej opłacalne i tańsze było pozyskiwanie energii elektrycznej w postaci prądu przemiennego wytwarzanego przez generatory elektrowni. Taka reprezentacja pozwalała na skuteczne przesyłanie jej na duże odległości. Po stronie odbiorczej został przekształcony w napięcie jednofazowe, wygodne dla konsumentów iw tej formie wszedł do linii energetycznej. Jednak obwody wewnętrzne większości nowoczesnych odbiorników elektrycznych wymagają stałego zasilania, którego wartość jest wybierana ze standardowego zakresu 5, 9, 12, 24, 36 lub 48 woltów. Aby je uzyskać, do obwodu urządzeń elektronicznych należało wprowadzić specjalny prostownik napięciowy (na przykład na 24 wolty).
Zasada działania prostownika
Aby dobrze zrozumieć zasadę działania prostownika prądu stałego, należy najpierw wziąć pod uwagę, że elementy półprzewodnikowe (diody) służą do prostowania napięcia przemiennego. Ich charakterystyczną cechą jest zdolność przewodzenia prądu tylko w jednym kierunku. Dzięki tej właściwości napięcie przemienne przyłożone do nich na wyjściu będzie miało postać dodatnich tętnień z odciętymi dolnymi połówkami półokresu oscylacji. Przy dodatnich półfalach przez diodę popłynie prąd, co jest podstawą do powstania stałego zasilania. Aby go uzyskać, wymagane są dodatkowe elementy elektryczne.
Każdy prostownik prądowy obejmuje następujące jednostki główne:
- Transformator obniżający napięcie, który konwertuje 220 woltów na pożądaną wartość;
- zestaw diod (mostek);
- kondensator wygładzający (filtrujący);
- stabilizator wykonany na bazie elementów tranzystorowych.
Znanych jest wiele wariantów prostowników elektronicznych, różniących się liczbą i sposobem podłączenia diod, a także parametrami pracy. Szczególnie interesujące są różne podejścia do włączania elementów diodowych do obwodu. Stopień stabilizujący prostownika montowany jest na przełącznikach tranzystorowych zwanych przekaźnikami elektronicznymi.
Typy prostowników
W zależności od sposobu włączania diod półprzewodnikowych wszystkie prostowniki prądu przemiennego dzielą się na następujące typy:
- półfala (półfala);
- pełna fala (pełna fala z punktem środkowym lub schematami Mitkiewicza);
- prostowniki mostkowe lub Gretza;
- prostowniki z podwojeniem napięcia roboczego i inne mniej powszechne obwody.
Półfala to najprostsza metoda stosowana do prostowania prądu przemiennego. Inna nazwa to obwód prostownika zerowego.
Za pomocą urządzeń tej klasy można uzyskać tylko pulsujący (używany tylko w połowie) prąd wyjściowy. Obwody oparte na zasadzie półfalowej charakteryzują się niską wydajnością konwersji i są rzadko stosowane. Ich pełnofalowe odpowiedniki mają w swoim składzie dwie diody i zapewniają prostowanie półfal obu polaryzacji. Są bardziej wydajne i stosowane w najprostszych zasilaczach.
Jednofazowe prostowniki mostkowe, tzw. 4-diodowe obwody Gretza, charakteryzują się wysoką sprawnością, rozumianą jako efektywność wykorzystania mocy pobieranej z transformatora.
Napięcie na wyjściu półprzewodnikowych mostków prostowniczych jest dobrą podstawą do późniejszego wygładzania i stabilizacji - uzyskania prądu stałego.
Są szeroko stosowane w urządzeniach o zwiększonej energochłonności, takich jak generatory o napięciu wyjściowym od dziesiątek do setek woltów. Ich zalety to:
- niskie napięcie wsteczne (ułamek wolta);
- mały rozmiar;
- wysoka wydajność wykorzystania transformatora (w porównaniu ze schematem Mitkiewicza).
Istotną wadą układów mostkowych jest dwukrotny spadek napięcia na diodach, co powoduje konieczność doboru parametrów wyjściowych transformatora z pewnym zapasem podczas ich opracowywania. Ta część mocy użytkowej jest następnie tracona na złączach czterech diod.
Typy prostowników według funkcjonalności
Zgodnie z ich przeznaczeniem i funkcjonalnością znane próbki prostowników dzielą się na urządzenia jednofazowe i trójfazowe. Te pierwsze znajdują zastosowanie w sieciach elektrycznych budynków mieszkalnych i domów prywatnych i są przeznaczone do zasilania urządzeń AGD. Drugi to moduł elektroniczny składający się z 3 jednostek tego samego typu, wyprodukowany zgodnie z jednym z następujących schematów:
- prostowniki jednostronne;
- systemy push-pull;
- moduły łączone: z dwoma uzwojeniami trójfazowymi z równoległym i szeregowym połączeniem diod.
Stosowanie jednokierunkowych obwodów transformacyjnych jest ograniczone ze względu na niską sprawność wyprostowanego napięcia. Ich dwusuwowe analogi są szeroko stosowane w silnikach prądu stałego i innych maszynach elektrycznych zawierających w swojej konstrukcji zespoły szczotek. Oprócz klasycznych prostowników przeznaczonych do montażu w silnikach kolektorowych istnieją układy, które mogą kilkukrotnie zwiększyć napięcie wyjściowe. Szczególnym przypadkiem takich rozwiązań jest prostownik podwajający napięcie.
Obwód prostownika z podwojeniem napięcia różni się tylko szczegółami od rozważanych opcji. Takie urządzenia są zwykle nazywane mnożnikami, które można łatwo zmontować ręcznie.
Podstawowe zależności przy obliczaniu prostownika
- napięcie wejściowe działające w uzwojeniu wtórnym transformatora;
- prąd w diodach płynący w obwodzie z uwzględnieniem obciążenia;
- pojemność kondensatora elektrolitycznego, dobrana na podstawie określonego współczynnika wygładzania tętnień;
- maksymalne napięcie na nim.
Ważne jest, aby wziąć pod uwagę spadek napięcia na diodach półprzewodnikowych, gdy są otwarte.
Obliczone wskaźniki dla tego przypadku prezentowane są w następującej postaci.
- Prąd w uzwojeniu transformatora jest równy co do wielkości jego maksymalnej wartości w obciążeniu (Iwind = Iload).
- Napięcie w uzwojeniu wtórnym w stanie bez obciążenia wynosi U2 ≈ 0,75Uload.
- Zaleca się zaopatrzenie w diody prostownicze o parametrach: Urev>3,14Uload oraz Imax>1,57Iload.
Prostowniki znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach elektrotechniki i elektroniki, w tym w nowoczesnych układach sterowania. Dlatego tak ważne jest zrozumienie, czym są prostowniki i jakie ich typy są wykorzystywane do budowy najbardziej wydajnych obwodów.
