Usměrňovač napětí: klasifikace, použití, obvod usměrňovače

Historicky bylo výhodnější a levnější získávat elektrickou energii ve formě střídavého proudu generovaného generátory elektráren. Tato reprezentace umožňovala její efektivní přenos na obrovské vzdálenosti. Na přijímacím konci se přeměňovala na jednofázové napětí pohodlné pro spotřebitele a v této formě vstupovala do elektrické sítě. Vnitřní obvody většiny moderních elektrických přijímačů však vyžadují konstantní napájení, jehož hodnota se volí ze standardní řady hodnot 5, 9, 12, 24, 36 nebo 48 voltů. Pro jejich získání musel být do obvodu elektronických zařízení zaveden speciální usměrňovač napětí (například pro 24 voltů).

Princip činnosti usměrňovače

Abychom jasně pochopili princip fungování stejnosměrného usměrňovače, musíme nejprve vzít v úvahu, že k usměrnění střídavého napětí se používají polovodičové prvky (diody). Jejich charakteristickým rysem je schopnost vést proud pouze v jednom směru. Díky této vlastnosti bude mít střídavé napětí, které jim je přiváděno na výstupu, formu kladných pulzací s přerušenými spodními polovinami půlperiody kmitání. S kladnými půlvlnami bude diodou protékat proud, což je základem pro vytvoření stejnosměrného napájení. K jeho získání jsou zapotřebí další elektrické prvky.

Jakýkoli proudový usměrňovač má následující hlavní komponenty:

Snižující transformátor, který převádí 220 voltů na požadovanou hodnotu;
sada diod (můstek);
vyhlazovací (filtrační) kondenzátor;
stabilizátor založený na tranzistorových prvcích.

Existuje mnoho známých variant elektronických usměrňovačů, které se liší počtem a způsobem zapojení diod, jakož i jejich provozními parametry. Obzvláště zajímavé jsou různé přístupy k zapojení diodových prvků do obvodu. Stabilizační kaskáda usměrňovacího zařízení je sestavena na tranzistorových klíčích, nazývaných elektronická relé.

Typy usměrňovačů

V závislosti na způsobu zapínání polovodičových diod se všechny střídavé usměrňovače dělí na následující typy:

jedna půlperioda (půlvlna);
dvoupolovinová (plná vlna se středem nebo Mitkevichova schémata);
můstkové nebo Gretzovy usměrňovače;
usměrňovače se zdvojnásobením napětí a další méně běžné konstrukce.

Půlvlnové spínání je nejjednodušší metoda používaná k usměrnění střídavého proudu. Další název je obvod nulového usměrňovače.

S pomocí zařízení této třídy je možné získat pouze pulzující (používá se pouze poloviční) výstupní proud. Obvody postavené na principu jedné půlperiody se vyznačují nízkou účinností přeměny a používají se extrémně zřídka. Jejich dvoupůlperiodové analogy mají ve svém složení dvě diody a zajišťují usměrnění půlvln obou polarit. Vyznačují se vyšší účinností a používají se v nejjednodušších napájecích zdrojích.

Jednofázové můstkové usměrňovače, tzv. Gretzovy obvody se 4 diodami, se vyznačují vysokou účinností, která se chápe jako účinnost využití výkonu přijatého z transformátoru.

Výstupní napětí polovodičových usměrňovacích můstků je dobrým základem pro následné vyhlazení a stabilizaci – získání stejnosměrného proudu.

Jsou široce používány ve vysokoenergetických zařízeních, jako jsou generátory s výstupním napětím od desítek do stovek voltů. Mezi jejich výhody patří:

nízké zpětné napětí (zlomky voltu);
malé rozměry;
vysoká účinnost transformátoru (ve srovnání s Mitkevichovým schématem).

Významnou nevýhodou můstkových obvodů je dvakrát větší úbytek napětí na diodách, což nutí volit výstupní parametry transformátoru při jejich vývoji s rezervou. Tato část užitečného výkonu se pak ztrácí na přechodech čtyř diod.

Typy usměrňovačů podle funkce

Podle svého účelu a funkčních možností se známé modely usměrňovačů dělí na jednofázové a třífázové. První se používají v elektrických sítích bytových domů a soukromých domů a jsou určeny k napájení domácích spotřebičů. Druhé se skládají z elektronického modulu 3 identických jednotek vyrobených podle jednoho z následujících schémat:

jednotaktní usměrňovače;
dvoutaktní systémy;
kombinované moduly: se dvěma třífázovými vinutími s paralelním a sériovým zapojením diod.

Použití jednotaktních transformačních obvodů je omezeno kvůli nízké účinnosti usměrněného napětí. Jejich dvoutaktní analogy se široce používají ve stejnosměrných elektromotorech a dalších elektrických strojích obsahujících kartáčové jednotky. Kromě klasických usměrňovačů určených pro instalaci do kolektorových motorů existují obvody, které umožňují několikanásobné zvýšení výstupního napětí. Zvláštním případem takových řešení je usměrňovač se zdvojnásobením napětí.

Obvod usměrňovače se zdvojnásobením napětí se od již uvažovaných možností liší pouze v detailech. Taková zařízení se obvykle nazývají multiplikátory, které lze snadno sestavit vlastníma rukama.

Základní vztahy při výpočtu usměrňovače

Pro výpočet 2-půlvlnného usměrňovače vybraného jako příklad budete potřebovat znát následující počáteční data:

vstupní napětí působící v sekundárním vinutí transformátoru;
proud v diodách tekoucí v obvodu s ohledem na zátěž;
kapacita elektrolytického kondenzátoru, zvolená na základě zadaného koeficientu vyhlazování pulzací;
maximální napětí na něm.

Je důležité vzít v úvahu úbytek napětí na polovodičových diodách v otevřeném stavu.

Výpočtové vztahy pro tento případ jsou prezentovány v následujícím tvaru.

Proud ve vinutí transformátoru má stejnou velikost jako jeho maximální hodnota v zátěži (Irev = Iload).
Napětí v sekundárním vinutí v klidovém režimu je U2≈ 0,75Uload.
Doporučuje se použít usměrňovací diody s následujícími parametry: Urev > 3,14 Uload a Imax > 1,57 Iload.

Usměrňovače se široce používají v různých oblastech elektrotechniky a elektroniky, včetně moderních řídicích systémů. Proto je velmi důležité pochopit, co jsou proudové usměrňovače a jaké jejich typy se používají při vytváření nejúčinnějších obvodů.