Historycznie bardziej opłacalne i tańsze jest pozyskiwanie energii elektrycznej w postaci prądu przemiennego wytwarzanego przez generatory elektrowni. Taka reprezentacja umożliwiła wydajną transmisję na duże odległości. Na końcu odbiorczym został przekształcony w napięcie jednofazowe, wygodne dla konsumentów, i w tej formie wszedł do linii energetycznej. Jednak obwody wewnętrzne większości nowoczesnych odbiorników energii wymagają stałego zasilania, którego wartość jest wybierana ze standardowej serii wartości 5, 9, 12, 24, 36 lub 48 woltów. Aby je uzyskać, do obwodu urządzeń elektronicznych musiał zostać wprowadzony specjalny prostownik napięcia (na przykład dla 24 woltów).
Zasada działania prostownika
Aby lepiej zrozumieć zasadę działania prostownika prądu stałego, należy najpierw wziąć pod uwagę, że elementy półprzewodnikowe (diody) są używane do prostowania napięcia przemiennego. Ich cechą wyróżniającą jest zdolność przewodzenia prądu tylko w jednym kierunku. Ze względu na tę właściwość napięcie przemienne przyłożone do nich na wyjściu przybierze postać dodatnich tętnień z odciętymi dolnymi połówkami okresu oscylacji. Przy dodatnich półfalach przez diodę przepłynie prąd, który jest podstawą do utworzenia stałego zasilania. Aby go uzyskać, potrzebne są dodatkowe elementy elektryczne.
Każdy obecny prostownik zawiera następujące główne węzły:
- Transformator obniżający napięcie, który przekształca 220 woltów w pożądaną wartość;
- zestaw diod (mostek);
- kondensator wygładzający (filtrujący);
- stabilizator wykonany na bazie elementów tranzystorowych.
Istnieje wiele opcji prostowników elektronicznych, różniących się liczbą i sposobem podłączenia diod, a także ich parametrami pracy. Szczególnie interesujące są różne podejścia do włączenia elementów diodowych do obwodu. Kaskada stabilizująca prostownika montowana jest na przełącznikach tranzystorowych, zwanych przekaźnikami elektronicznymi.
Rodzaje prostowników
W zależności od metody włączenia diod półprzewodnikowych wszystkie prostowniki prądu zmiennego są podzielone na następujące typy:
- półfala (półfala);
- dwie połówki fali (pełna fala ze środkiem lub schematem Mitkiewicza);
- Mostek Gretza lub prostowniki;
- prostowniki z podwojeniem napięcia roboczego i innymi, mniej powszechnymi obwodami.
Przełączanie półfalowe jest najprostszą metodą prostowania prądu przemiennego. Inną nazwą jest zero obwodu prostownika.
Używając urządzeń tej klasy, możliwe jest uzyskanie tylko pulsującego (wykorzystanego tylko w połowie) prądu wyjściowego. Schematy oparte na zasadzie półfali charakteryzują się niską wydajnością konwersji i są rzadko stosowane. Ich odpowiedniki półfalowe zawierają dwie diody i zapewniają rektyfikację półfalową obu biegunowości. Są bardziej wydajne i są stosowane w prostych zasilaczach.
Mostki prostownicze jednofazowe, tzw. Obwody Gretza z 4 diodami, charakteryzują się wysoką sprawnością, rozumianą jako efektywność wykorzystania mocy otrzymanej z transformatora.
Napięcie na wyjściu mostków półprzewodnikowych stanowi dobrą podstawę do późniejszego wygładzenia i stabilizacji - w celu 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 (ułamki Volta);
- małe wymiary;
- wysoka wydajność zastosowania transformatora (w porównaniu ze schematem Mitkevicha).
Istotną wadą obwodów mostkowych jest podwójny spadek napięcia na diodach, który zmusza je do wyboru parametrów wyjściowych transformatora z marginesem podczas ich rozwoju. Ta część użytecznej mocy jest następnie tracona na styku czterech diod.
Rodzaje prostowników według funkcjonalności
Według ich przeznaczenia i funkcjonalności znane próbki prostowników są podzielone na urządzenia jednofazowe i trójfazowe. Te pierwsze są stosowane w sieciach elektrycznych budynków mieszkalnych i domów prywatnych i są przeznaczone do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego. Drugi to moduł elektroniczny z 3 jednostek tego samego typu, wyprodukowany zgodnie z jednym z następujących schematów:
- prostowniki jednocyklowe;
- systemy push-pull;
- połączone moduły: z dwoma trójfazowymi uzwojeniami z równoległym i szeregowym połączeniem diod.
Zastosowanie schematów transformacji jednocyklowych jest ograniczone ze względu na niską sprawność wyprostowanego napięcia. Ich analogi push-pull są szeroko stosowane w silnikach prądu stałego i innych maszynach elektrycznych zawierających zespoły szczotek w swojej konstrukcji. Oprócz klasycznych prostowników przeznaczonych do montażu w silnikach komutatorowych istnieją schematy, które mogą kilkakrotnie zwiększyć napięcie wyjściowe. Szczególnym przypadkiem takich rozwiązań jest prostownik podwajający napięcie.
Obwód prostownika z podwojeniem napięcia różni się jedynie szczegółami od rozważanych już opcji. Takie urządzenia są powszechnie nazywane multiplikatorami, które można łatwo zmontować własnymi rękami.
Podstawowe relacje przy obliczaniu prostownika
Aby obliczyć prostownik półfalowy wybrany jako przykład, musisz znać następujące dane początkowe:
- napięcie wejściowe działające w uzwojeniu wtórnym transformatora;
- prąd w diodach przepływających w obwodzie z uwzględnieniem obciążenia;
- pojemność kondensatora elektrolitycznego dobierana na podstawie danego współczynnika wygładzania tętnień;
- maksymalne napięcie na nim.
Ważne jest, aby wziąć pod uwagę spadek napięcia na diodach półprzewodnikowych w stanie otwartym.
Obliczone współczynniki dla tego przypadku przedstawiono w następującej formie.
- Prąd w uzwojeniu transformatora ma wielkość równą jego maksymalnej wartości w obciążeniu (Iobm = Inagr).
- Napięcie w uzwojeniu wtórnym w trybie jałowym wynosi U2≈ 0,75 Uload.
- Diody prostownicze są zalecane z następującymi parametrami: Ureb> 3,14 Unag i Imax> 1,57 Inag.
Prostowniki są szeroko stosowane w różnych dziedzinach elektrotechniki i elektroniki, w tym w nowoczesnych systemach sterowania. Dlatego tak ważne jest zrozumienie, jakie są obecne prostowniki i jakie ich odmiany są wykorzystywane do budowy najbardziej wydajnych obwodów.
