Historicky bolo ziskovejšie a lacnejšie získavať elektrinu vo forme striedavého prúdu generovaného generátormi elektrární. Takéto znázornenie umožnilo efektívne ho preniesť na veľké vzdialenosti. Na prijímacom konci bolo prevedené na jednofázové napätie vhodné pre spotrebiteľov a v tejto podobe vstúpilo do elektrického vedenia. Interné obvody väčšiny moderných elektrických spotrebičov však vyžadujú stále napájanie, ktorého hodnota sa vyberá zo štandardného rozsahu 5, 9, 12, 24, 36 alebo 48 voltov. Na ich získanie bolo potrebné do obvodu elektronických zariadení zaviesť špeciálny usmerňovač napätia (napríklad pre 24 Voltov).
Princíp činnosti usmerňovača
Pre jasné pochopenie princípu činnosti jednosmerného usmerňovača musíte najskôr vziať do úvahy, že na usmernenie striedavého napätia sa používajú polovodičové prvky (diódy). Ich charakteristickou črtou je schopnosť viesť prúd iba jedným smerom. Kvôli tejto vlastnosti bude mať striedavé napätie, ktoré je na ne privádzané na výstupe, tvar kladných zvlnení s odrezanými spodnými polovicami polperiódy kmitov. Pri kladných polovičných vlnách bude diódou tiecť prúd, ktorý je základom pre vznik stáleho napájacieho zdroja. Na jeho získanie sú potrebné ďalšie elektrické prvky.
Akýkoľvek prúdový usmerňovač obsahuje tieto hlavné jednotky:
- Transformátor s postupným znižovaním, ktorý prevádza 220 voltov na požadovanú hodnotu;
- sada diód (mostík);
- vyhladzovací (filtračný) kondenzátor;
- stabilizátor vyrobený na báze tranzistorových prvkov.
Je známych veľa variantov elektronických usmerňovačov, ktoré sa líšia počtom a spôsobom zapojenia diód, ako aj prevádzkovými parametrami. Obzvlášť zaujímavé sú rôzne prístupy k začleneniu diódových prvkov do obvodu. Stabilizačný stupeň usmerňovača je zostavený na tranzistorových spínačoch, ktoré sa nazývajú elektronické relé.
Typy usmerňovačov
V závislosti od spôsobu zapínania polovodičových diód sú všetky striedavé usmerňovače rozdelené do nasledujúcich typov:
- polvlna (polvlna);
- plná vlna (plná vlna so stredným bodom alebo Mitkevichove schémy);
- mostové alebo Gretzove usmerňovače;
- usmerňovače so zdvojnásobením prevádzkového napätia a iné menej bežné obvody.
Polvlna je najjednoduchšia metóda použitá na usmernenie striedavého prúdu. Ďalším názvom je nulový usmerňovací obvod.
Pomocou zariadení tejto triedy je možné získať iba pulzujúci (použitý iba polovičný) výstupný prúd. Obvody založené na princípe polvlny sa vyznačujú nízkou účinnosťou premeny a zriedka sa používajú. Ich protějšky s plnou vlnou majú vo svojom zložení dve diódy a poskytujú nápravu polovičných vĺn oboch polarít. Sú efektívnejšie a používajú sa v najjednoduchších zdrojoch napájania.
Jednofázové mostové usmerňovače, takzvané 4-diódové Gretzove obvody, sa vyznačujú vysokou účinnosťou, ktorá sa chápe ako účinnosť využitia energie prijatej z transformátora.
Napätie na výstupe z mostíkov polovodičových usmerňovačov je dobrým základom pre následné vyhladenie a stabilizáciu - získanie jednosmerného prúdu.
Používajú sa často v zariadeniach so zvýšenou energetickou náročnosťou, ako sú generátory s výstupným napätím od desiatok do stoviek voltov. Medzi ich výhody patrí:
- nízke reverzné napätie (zlomok voltu);
- malé rozmery;
- vysoká účinnosť použitia transformátora (v porovnaní so schémou Mitkevicha).
Významnou nevýhodou mostíkových obvodov je dvojnásobný pokles napätia na diódach, čo si pri ich vývoji vyžaduje voľbu výstupných parametrov transformátora s rezervou. Táto časť využiteľnej sily sa potom stratí na križovatke štyroch diód.
Typy usmerňovačov podľa funkčnosti
Podľa ich účelu a funkčnosti sú známe vzorky usmerňovačov rozdelené na jednofázové a trojfázové zariadenia. Prvé sa používajú v elektrických sieťach bytových domov a súkromných domov a sú určené na napájanie domácich spotrebičov. Posledne uvedené sú elektronický modul 3 rovnakého typu vyrobený podľa jednej z nasledujúcich schém:
- jednostranné usmerňovače;
- systémy push-pull;
- kombinované moduly: s dvoma trojfázovými vinutiami s paralelným a sériovým zapojením diód.
Použitie transformačných obvodov s jedným koncom je obmedzené z dôvodu nízkej účinnosti usmerneného napätia. Ich dvojtaktné analógy sa široko používajú v jednosmerných motoroch a iných elektrických strojoch, ktoré vo svojej konštrukcii obsahujú kefové zostavy. Okrem klasických usmerňovačov určených na inštaláciu do kolektorových motorov existujú obvody, ktoré môžu výstupné napätie niekoľkonásobne zvýšiť. Špeciálnym prípadom takýchto riešení je usmerňovač zdvojnásobenia napätia.
Obvod usmerňovača so zdvojnásobením napätia sa líši iba v detailoch od už uvažovaných možností. Takéto zariadenia sa zvyčajne nazývajú multiplikátory, ktoré sa ľahko zostavujú ručne.
Základné vzťahy pri výpočte usmerňovača
- vstupné napätie pôsobiace v sekundárnom vinutí transformátora;
- prúd v diódach, prúdiaci v obvode, berúc do úvahy zaťaženie;
- kapacita elektrolytického kondenzátora zvoleného na základe špecifikovaného faktora vyhladenia zvlnenia;
- maximálne napätie na ňom.
Je dôležité vziať do úvahy pokles napätia na polovodičových diódach, keď sú otvorené.
Vypočítané pomery pre tento prípad sú uvedené v nasledujúcej forme.
- Prúd vo vinutí transformátora sa rovná veľkosti maximálnej hodnoty v záťaži (Iwind = Iload).
- Napätie v sekundárnom vinutí v režime bez zaťaženia je U2 ≈ 0,75 Uload.
- Odporúča sa brať usmerňovacie diódy s nasledujúcimi parametrami: Urev> 3,14Uload a Imax> 1,57Iload.
Usmerňovače sa široko používajú v rôznych oblastiach elektrotechniky a elektroniky vrátane moderných riadiacich systémov. Preto je také dôležité pochopiť, čo sú usmerňovače a aké typy sa používajú na zostavenie najefektívnejších obvodov.
