Elektrická energie je pohodlně transportována a přeměňována na velikost ve formě střídavého napětí. Právě v této podobě je dodáván konečnému spotřebiteli. K napájení mnoha zařízení ale stále potřebujete konstantní napětí.
Obsah
Proč potřebujeme v elektrotechnice usměrňovač
Úkolem přeměny střídavého napětí na stejnosměrné jsou usměrňovače. Toto zařízení je široce používáno a hlavní oblasti použití usměrňovacích zařízení v rádiu a elektrotechnice jsou:
- tvorba stejnosměrného proudu pro silové elektroinstalace (trakční rozvodny, elektrolýzy, budicí systémy synchronních generátorů) a výkonné stejnosměrné motory;
- napájecí zdroje pro elektronická zařízení;
- detekce modulovaných rádiových signálů;
- vytvoření konstantního napětí úměrného úrovni vstupního signálu pro budování systémů automatického řízení zisku.
Celý rozsah usměrňovačů je rozsáhlý a není možné jej vyjmenovat v rámci jedné recenze.
Principy činnosti usměrňovačů
Činnost usměrňovacích zařízení je založena na vlastnosti jednostranné vodivosti prvků. Můžete to udělat různými způsoby. Mnoho způsobů pro průmyslové aplikace se stalo minulostí, jako je použití mechanických synchronních strojů nebo elektrovakuových zařízení. Nyní se používají ventily, které vedou proud v jednom směru. Není to tak dávno, co se rtuťová zařízení používala pro usměrňovače s vysokým výkonem. V současnosti je prakticky nahrazují polovodičové (křemíkové) prvky.
Typické usměrňovací obvody
Usměrňovací zařízení může být postaveno podle různých principů. Při analýze obvodů zařízení je třeba mít na paměti, že konstantní napětí na výstupu jakéhokoli usměrňovače lze volat pouze podmíněně. Tento uzel produkuje pulzující jednosměrné napětí, které je ve většině případů nutné vyhlazovat filtry. Někteří spotřebitelé také vyžadují stabilizaci usměrněného napětí.
Jednofázové usměrňovače
Nejjednodušší usměrňovač střídavého napětí je jediná dioda.
Kladné půlvlny sinusoidy předává spotřebiteli a „odřezává“ ty negativní.
Rozsah takového zařízení je malý - především spínané usměrňovače napájenípracující na relativně vysokých frekvencích. Přestože produkuje proud tekoucí jedním směrem, má významné nevýhody:
- vysoká úroveň zvlnění - pro vyhlazení a získání stejnosměrného proudu budete potřebovat velký a objemný kondenzátor;
- neúplné využití výkonu snižovacího (nebo zvyšujícího) transformátoru, což vede ke zvýšení požadovaných ukazatelů hmotnosti a velikosti;
- průměrné EMF na výstupu je menší než polovina dodávaného EMF;
- zvýšené požadavky na diodu (na druhou stranu je potřeba pouze jeden ventil).
Proto rozšířenější celovlnný (mostový) okruh.
Zde proud protéká zátěží dvakrát za periodu v jednom směru:
- kladná půlvlna podél cesty označené červenými šipkami;
- negativní půlvlna podél cesty označené zelenými šipkami.
Záporná vlna nezmizí, ale je také využita, takže výkon vstupního transformátoru je plně využit. Průměrné EMF je dvakrát vyšší než u půlvlnné verze. Tvar zvlněného proudu je mnohem bližší přímce, ale vyhlazovací kondenzátor je stále zapotřebí. Jeho kapacita a rozměry budou menší než v předchozím případě, protože frekvence zvlnění je dvojnásobkem frekvence síťového napětí.
Pokud existuje transformátor se dvěma stejnými vinutími, která lze zapojit do série nebo s vinutím s odbočkou ze středu, lze sestrojit celovlnný usměrňovač podle jiného schématu.
Tato možnost je ve skutečnosti dvojitým obvodem půlvlnného usměrňovače, ale má všechny výhody celovlnného usměrňovače. Nevýhodou je nutnost použití transformátoru specifické konstrukce.
Pokud je transformátor vyroben v amatérských podmínkách, nebrání navíjení sekundárního vinutí dle potřeby žádné překážky, ale bude nutné použít o něco větší železo. Ale místo 4 diod jsou použity pouze 2. To umožní kompenzovat ztrátu ukazatelů hmotnosti a velikosti a dokonce i vyhrát.
Pokud je usměrňovač navržen pro vysoký proud a ventily musí být instalovány na radiátorech, pak instalace polovičního počtu diod přináší značné úspory. Je třeba také vzít v úvahu, že takový usměrňovač má dvojnásobný vnitřní odpor ve srovnání s usměrňovačem sestaveným v můstkovém obvodu, takže zahřívání vinutí transformátoru a s tím spojené ztráty budou také vyšší.
Třífázové usměrňovače
Z předchozího obvodu je logické přejít na třífázový usměrňovač napětí, sestavený podle podobného principu.
Tvar výstupního napětí je mnohem bližší přímce, úroveň zvlnění je pouze 14 % a frekvence se rovná trojnásobku frekvence síťového napětí.
A přitom zdrojem tohoto obvodu je půlvlnný usměrňovač, takže řadu nedostatků nelze překonat ani u třífázového zdroje napětí. Hlavním z nich je neúplné využití výkonu transformátoru a průměrná EMF je 1,17⋅E2eff (efektivní hodnota EMF sekundárního vinutí transformátoru).
Nejlepší parametry má třífázový můstkový obvod.
Zde je amplituda zvlnění výstupního napětí stejná 14 %, ale frekvence je rovna šestiúhelníkové frekvenci vstupního střídavého napětí, takže kapacita filtračního kondenzátoru bude nejmenší ze všech prezentovaných možností. A výstupní EMF bude dvakrát vyšší než v předchozím obvodu.
Tento usměrňovač se používá s výstupním transformátorem majícím hvězdicové sekundární vinutí, ale stejná sestava ventilu bude mnohem méně účinná, když se použije ve spojení s transformátorem, jehož výstup je zapojen do trojúhelníku.
Zde jsou amplituda a frekvence pulsací stejné jako v předchozím zapojení. Ale průměrné EMF je v časech menší než v předchozím schématu. Proto se toto zařazení používá jen zřídka.
Usměrňovače násobiče napětí
Je možné sestrojit usměrňovač, jehož výstupní napětí bude násobkem vstupního napětí. Například existují obvody se zdvojnásobením napětí:
Zde se kondenzátor C1 nabíjí během záporné půlperiody a je spínán v sérii s kladnou vlnou vstupní sinusovky. Nevýhodou této konstrukce je malá zatížitelnost usměrňovače a také fakt, že kondenzátor C2 je pod dvojnásobnou hodnotou napětí. Proto se takový obvod používá v radiotechnice pro zdvojení usměrnění nízkopříkonových signálů pro amplitudové detektory, jako měřicí prvek v obvodech automatického řízení zisku atd.
V elektrotechnice a výkonové elektronice se používá jiná verze schématu zdvojení.
Zdvojovač, sestavený podle schématu Latour, má velkou nosnost. Každý z kondenzátorů je pod vstupním napětím, proto i tato varianta svou hmotností a velikostí předčí předchozí. Během kladného půlcyklu se nabíjí kondenzátor C1, během záporného - C2. Kondenzátory jsou zapojeny do série a ve vztahu k zátěži - paralelně, takže napětí na zátěži se rovná součtu napětí nabitých kondenzátorů. Frekvence zvlnění se rovná dvojnásobku frekvence síťového napětí a hodnota závisí z hodnoty kapacit. Čím větší jsou, tím méně se vlní. A zde je potřeba najít rozumný kompromis.
Nevýhodou obvodu je zákaz uzemnění jedné ze svorek zátěže - jedna z diod nebo kondenzátorů v tomto případě bude zkratována.
Tento obvod může být kaskádován libovolněkrát. Takže opakováním principu zahrnutí dvakrát můžete získat obvod se čtyřnásobným napětím atd.
První kondenzátor v obvodu musí odolat napětí napájecího zdroje, zbytek - dvojnásobek napájecího napětí. Všechny ventily musí být dimenzovány na dvojité zpětné napětí. Samozřejmě pro spolehlivý provoz obvodu musí mít všechny parametry rezervu minimálně 20 %.
Pokud nejsou vhodné diody, lze je zapojit do série - v tomto případě se maximální povolené napětí zvýší o faktor 1. Ale paralelně s každou diodou musí být zapojeny vyrovnávací odpory. To je nutné provést, protože jinak v důsledku rozšíření parametrů ventilů může být zpětné napětí mezi diodami rozloženo nerovnoměrně. Výsledkem může být překročení největší hodnoty pro jednu z diod. A pokud je každý prvek řetězu posunut s odporem (jejich hodnota musí být stejná), pak bude zpětné napětí distribuováno úplně stejně. Odpor každého rezistoru by měl být asi 10krát menší než zpětný odpor diody. V tomto případě bude minimalizován vliv dalších prvků na provoz obvodu.
Paralelní zapojení diod v tomto obvodu pravděpodobně nebude potřeba, proudy jsou zde malé. Ale může být užitečné v jiných obvodech usměrňovače, kde zátěž spotřebovává značnou energii. Paralelní zapojení násobí dovolený proud ventilem, ale vše kazí odchylka parametrů. Tím pádem může jedna dioda nabrat ten největší proud a nevydrží to. Aby se tomu zabránilo, je odpor umístěn v sérii s každou diodou.
Hodnota odporu je zvolena tak, aby při maximálním proudu byl úbytek napětí na něm 1 volt. Takže při proudu 1 A by měl být odpor 1 ohm. Výkon v tomto případě by měl být alespoň 1 watt.
Teoreticky lze násobek napětí zvyšovat donekonečna. V praxi je třeba pamatovat na to, že zatížitelnost takových usměrňovačů s každým dalším stupněm prudce klesá. V důsledku toho se můžete dostat do situace, kdy úbytek napětí na zátěži překročí multiplikační faktor a činnost usměrňovače ztrácí smysl. Tato nevýhoda je vlastní všem takovým schématům.
Často se takové násobiče napětí vyrábějí jako jeden modul s dobrou izolací. Podobná zařízení se používala například k vytváření vysokého napětí v televizorech nebo osciloskopech s katodovou trubicí jako monitorem. Schémata zdvojení pomocí tlumivek jsou také známá, ale nedostala distribuci - části vinutí se obtížně vyrábějí a nejsou příliš spolehlivé v provozu.
Existuje mnoho usměrňovacích obvodů. Vzhledem k širokému záběru tohoto uzlu je důležité přistupovat k výběru obvodu a výpočtu prvků vědomě. Pouze v tomto případě je zaručen dlouhý a spolehlivý provoz.
Podobné články:
