Co je to usměrnění AC?
Usměrňovací obvody elektrického proudu.
Usměrňovač elektrického proudu je elektronický obvod určený k přeměně střídavého elektrického proudu na stejnosměrný (unipolární) elektrický proud.
V polovodičových zařízeních se usměrňovače vyrábějí pomocí polovodičových diod. Ve starších a vysokonapěťových zařízeních jsou usměrňovače vyráběny na elektrických vakuových zařízeních – kenotronech. Dříve se hojně používaly selenové usměrňovače.
Nejprve si připomeňme, co je to střídavý elektrický proud. Jedná se o harmonický signál, který mění svou amplitudu a polaritu podle sinusového zákona.
Ve střídavé elektrice
Středa 10. července 2013 10:35
OQtagooi [ ] pro sekci Blogy
Usměrňovací obvody elektrického proudu.
Usměrňovač elektrického proudu – elektronický obvod určený k přeměně střídavého elektrického proudu na stejnosměrný (unipolární) elektrický proud.
V polovodičových zařízeních se usměrňovače vyrábějí pomocí polovodičových diod. Ve starších a vysokonapěťových zařízeních jsou usměrňovače vyráběny na elektrických vakuových zařízeních – kenotronech. Dříve se hojně používaly selenové usměrňovače.
Nejprve si připomeňme, co je to střídavý elektrický proud. Jedná se o harmonický signál, který mění svou amplitudu a polaritu podle sinusového zákona.
U střídavého elektrického proudu lze konvenčně rozlišovat kladné a záporné půlcykly. Vše, co je větší než nulová hodnota, se vztahuje na kladné půlcykly (kladná půlvlna – červeně) a vše, co je menší (pod) nulovou hodnotou – na záporné půlcykly (záporná půlvlna – modrá).
Usměrňovač v závislosti na jeho konstrukci „odřízne“ nebo „přetočí“ jednu z půlvln střídavého proudu, čímž se směr proudu stane jednosměrným.
Schémata pro konstrukci usměrňovačů síťového napětí lze rozdělit na jednofázové a třífázové, půlvlnné a celovlnné.
Pro usnadnění budeme předpokládat, že usměrněný střídavý elektrický proud pochází ze sekundárního vinutí transformátoru. To platí i proto, že i elektrický proud v domovních zásuvkách bytů a domů pochází z transformátoru snižovací rozvodny. Navíc, protože proudová síla je veličina přímo závislá na zátěži, nebudeme při uvažování usměrňovacích obvodů operovat s pojmem proudová síla, ale s pojmem napětí, jehož amplituda nezávisí přímo na zátěži.
Na obrázku je schéma zapojení a časování pro usměrnění střídavého proudu jednofázovým půlvlnným usměrňovačem.
Obrázek ukazuje, že dioda odřízne zápornou půlvlnu. Pokud otočíme diodu a prohodíme její svorky – anodu a katodu, na výstupu se ukáže, že není odříznuta záporná, ale kladná půlvlna.
Průměrná hodnota napětí na výstupu půlvlnného usměrňovače odpovídá hodnotě:
Uav = Umax / π = 0,318 Umax
kde: π je konstanta rovna 3,14.
Půlvlnné usměrňovače se používají jako usměrňovače síťového napětí v obvodech s nízkou spotřebou proudu a také jako usměrňovače spínaného napájení. Absolutně nevhodné jsou jako sinusové usměrňovače síťového napětí pro zařízení s vysokým odběrem proudu.
Nejběžnější jsou jednofázové celovlnné usměrňovače. Existují dva obvody takových usměrňovačů – můstkový obvod a vyvážený obvod.
Uvažujme můstkový obvod jednofázového plnovlnného usměrňovače a jeho činnost.
Pokud proud sekundárního vinutí transformátoru teče ve směru z bodu „A“ do bodu „B“, pak z bodu „B“ proud protéká diodou VD3 (dioda VD1 ji neprojde), zátěž Rн, dioda VD2 a vrací se do vinutí transformátoru bodem „A“. Když se směr proudu v sekundárním vinutí transformátoru změní na opačný, proudový výstupní bod „A“ protéká diodou VD4, zátěží Rн, diodou VD1 a vrací se do vinutí transformátoru bodem „B“.
Neexistuje tedy prakticky žádný časový úsek, kdy by bylo napětí na výstupu usměrňovače nulové.
Uvažujme symetrický obvod jednofázového plnovlnného usměrňovače.
V jádru se jedná o dva půlvlnné usměrňovače zapojené paralelně v protifázi, přičemž začátek druhého vinutí je připojen ke konci prvního sekundárního vinutí. Je-li v můstkovém obvodu použito jedno sekundární vinutí transformátoru během obou půlcyklů síťového napětí, pak se v symetrickém obvodu používají střídavě dvě sekundární vinutí (2 a 3).
Průměrná hodnota napětí na výstupu celovlnného usměrňovače odpovídá hodnotě:
Uav = 2*Umax / π = 0,636 Umax
kde: π je konstanta rovna 3,14.
Zajímavá je kombinace můstkového a vyváženého usměrňovacího obvodu, v důsledku čehož je získán bipolární můstkový usměrňovač, ve kterém je jeden vodič společný pro dvě výstupní napětí (pro první výstupní napětí je záporné a pro druhé , je pozitivní):
Třífázové usměrňovače
Třífázové usměrňovače mají lepší charakteristiky střídavého usměrnění – nižší činitel zvlnění výstupního napětí ve srovnání s jednofázovými usměrňovači. To je způsobeno skutečností, že ve třífázovém elektrickém proudu se sinusoidy různých fází „překrývají“. Po usměrnění takového napětí nedochází k sčítání amplitud různých fází, ale maximální amplituda je izolována od hodnot všech tří fází vstupního napětí. 
Následující obrázek ukazuje obvod třífázového půlvlnného usměrňovače a jeho výstupní napětí (červeně), vytvořené na „špičkách“ třífázového napětí.
V důsledku „překrývání“ napěťových fází má výstupní napětí třífázového půlvlnného usměrňovače menší hloubku zvlnění. Sekundární vinutí transformátoru lze použít pouze v zapojení do hvězdy s „nulovou“ svorkou z transformátoru.
Na následujícím obrázku je obvod třífázového plnovlnného můstkového usměrňovače (obvod Larionov) a jeho výstupní napětí (červeně).
Při použití kladných a invertovaných záporných půlvln třífázového napětí má výstupní napětí (zvýrazněné červeně) generované ve vrcholech sinusoid nejmenší hloubku zvlnění výstupního napětí ve srovnání se všemi ostatními usměrňovacími obvody. Sekundární vinutí transformátoru lze použít buď podle schématu zapojení „hvězda“, bez „nulové“ svorky z transformátoru, nebo „trojúhelníku“.
Při návrhu napájecích zdrojů se pro výběr usměrňovacích diod používají následující parametry, které jsou vždy uvedeny v referenčních knihách:
— maximální zpětné napětí diody — Uarr ;
— maximální proud diod — Imax ;
– pokles napětí v propustném směru na diodě – Up .
Všechny tyto uvedené parametry je nutné volit s rezervou, aby nedošlo k selhání diody.
Maximální zpětné napětí diody Uarr by mělo být dvojnásobkem skutečného výstupního napětí transformátoru. V opačném případě je možný zpětný rozpad pn, což může vést k poruše nejen usměrňovacích diod, ale i dalších prvků silových a zátěžových obvodů.
Maximální hodnota proudu Imax Zvolené diody by měly překročit skutečný proud usměrňovače 1,5 – 2 krát. Nedodržení této podmínky také vede k poruše nejprve diod a poté dalších prvků obvodu.
Dopředný pokles napětí na diodě – Up, to je napětí, které klesá na krystalu pn diodový přechod. Pokud jsou podél proudové cesty dvě diody, pak tento pokles nastane na dvou pn přechody. Jinými slovy, napětí přivedené na vstup usměrňovače je sníženo o úbytek napětí na výstupu.
Usměrňovací obvody jsou navrženy tak, aby převáděly střídavé napětí, které mění polaritu, na unipolární napětí, které nemění polaritu. K přeměně střídavého napětí na stejnosměrné to ale nestačí. Aby bylo možné jej převést na konstantní napětí, je nutné použít vyhlazovací výkonové filtry, které eliminují náhlé změny výstupního napětí z nuly na maximální hodnotu.
Usměrňovač je elektronické zařízení určené k přeměně elektrické energie střídavého proudu na stejnosměrný proud. Základem usměrňovačů jsou polovodičová zařízení s jednosměrnou vodivostí – diody a tyristory.
Při malé zátěži (až několik stovek wattů) se přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud provádí pomocí jednofázových usměrňovačů. Takové usměrňovače jsou navrženy tak, aby dodávaly stejnosměrný proud různým elektronickým zařízením, budicím vinutím stejnosměrných motorů s nízkým a středním výkonem atd.
Pro zjednodušení pochopení činnosti usměrňovacích obvodů budeme předpokládat, že usměrňovač pracuje na aktivní zátěži.
Jednofázový půlvlnný (jednocyklový) usměrňovací obvod
Obrázek 1 ukazuje nejjednodušší usměrňovací obvod. Obvod obsahuje jednu usměrňovací diodu zapojenou mezi sekundární vinutí transformátoru a zátěž.
Obrázek 1 – Jednofázový půlvlnný usměrňovač: a) obvod – dioda otevřená, b) obvod – dioda zavřená, c) časová schémata činnosti
Napětí u2 se mění sinusově, tzn. obsahuje kladné a záporné půlvlny (půlcykly). Proud v zátěžovém obvodu prochází pouze v kladných půlcyklech, kdy je kladný potenciál přiveden na anodu diody VD (obr. 1, a). Při přepólování napětí u2 je dioda uzavřena, v zátěži neteče proud, ale na diodu je přivedeno zpětné napětí Urev (obr. 1, b).
Že. Na zátěži se uvolní pouze jedno půlvlnné napětí sekundárního vinutí. Proud v zátěži teče pouze jedním směrem a je to usměrněný proud, i když má pulzující charakter (obr. 1, c). Tato forma napětí (proudu) se nazývá konstantní puls.
Usměrněné napětí a proud obsahují stejnosměrnou (užitečnou) složku a střídavou složku (vlnění). Kvalitativní stránka činnosti usměrňovače se posuzuje podle vztahu mezi užitečnou složkou a zvlněním napětí a proudu. Faktor zvlnění tohoto obvodu je 1,57. Průměrná hodnota usměrněného napětí za dobu je Un = 0,45U2. Maximální hodnota zpětného napětí na diodě je Urev.max = 3,14 Un.
Výhodou tohoto zapojení je jeho jednoduchost, nevýhodami jsou: špatné využití transformátoru, vysoké zpětné napětí na diodě, vysoký činitel zvlnění usměrněného napětí.
Jednofázový můstkový usměrňovací obvod
Skládá se ze čtyř diod zapojených do můstkového obvodu. Na jednu diagonálu můstku je připojeno sekundární vinutí transformátoru a na druhou zátěž (obr. 2). Společným bodem katod diod VD2, VD4 je kladný pól usměrňovače, společným bodem anod diod VD1, VD3 je záporný pól.
Obrázek 2 – Jednofázový můstkový usměrňovač: a) obvod – usměrnění kladné půlvlny, b) usměrnění záporné půlvlny, c) časová schémata činnosti
Polarita napětí v sekundárním vinutí se mění s frekvencí napájecí sítě. Diody v tomto obvodu pracují střídavě v párech. Během kladné půlperiody napětí u2 vedou diody VD2, VD3 proud a na diody VD1, VD4 je přivedeno zpětné napětí a jsou uzavřeny. Během záporné půlperiody napětí u2 protéká proud diodami VD1, VD4 a diodami VD2, VD3 jsou uzavřeny. Proud v zátěži teče stále jedním směrem.
Obvod je celovlnný (push-pull), protože Obě půlcykly síťového napětí jsou přiděleny na zátěži: Un = 0,9U2, koeficient zvlnění je 0,67.
Použití můstkového obvodu pro připojení diod umožňuje použít jednofázový transformátor k usměrnění dvou půlcyklů. Kromě toho je zpětné napětí aplikované na diodu 2krát menší.
Stejnosměrné napájení středních a velkých spotřebičů je vyrobeno z třífázových usměrňovačů, jejichž použití snižuje proudové zatížení diod a snižuje faktor zvlnění.
Třífázový můstkový usměrňovací obvod
Obvod se skládá ze šesti diod, které jsou rozděleny do dvou skupin (obr. 2.61, a): katoda – diody VD1, VD3, VD5 a anoda VD2, VD4, VD6. Zátěž je zapojena mezi spojovací body katod a anod diod, tzn. k diagonále narovnaného mostu. Obvod je připojen do třífázové sítě.
Obrázek 3 – Třífázový můstkový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti
V každém okamžiku protéká zátěžový proud dvěma diodami. V katodové skupině během každé třetiny periody pracuje dioda s nejvyšším anodovým potenciálem (obr. 3, b). V anodové skupině během této části periody pracuje dioda, jejíž katoda má nejvíce záporný potenciál. Každá z diod pracuje jednu třetinu periody. Faktor zvlnění tohoto obvodu je pouze 0,057.
Řízené usměrňovače jsou usměrňovače, které spolu s usměrněním střídavého napětí (proudu) zajišťují regulaci velikosti usměrněného napětí (proudu).
Řízené usměrňovače se používají k regulaci rychlosti otáčení stejnosměrných motorů, jasu žárovek, při nabíjení baterií atd.
Řízené obvody usměrňovače jsou postaveny na tyristorech a jsou založeny na řízení otevíracího momentu tyristorů.
Obrázek 4a ukazuje schéma jednofázového řízeného usměrňovače. Aby bylo možné usměrnit dvě půlvlny síťového napětí, používá se transformátor s dvoufázovým sekundárním vinutím, ve kterém se tvoří dvě napětí s opačnými fázemi. V každé fázi je zapnutý tyristor. Kladná půlperioda napětí U2 je usměrněna tyristorem VS1 a záporná půlperioda VS2.
Řídicí obvod řídicího systému generuje impulsy k otevření tyristorů. Časování otevíracích impulsů určuje, jaká část půlvlny je přidělena zátěži. Tyristor se odblokuje za přítomnosti kladného napětí na anodě a otevíracího impulsu na řídicí elektrodě.
Pokud impuls dorazí v čase t0 (obr. 4,b), je tyristor během celého půlcyklu otevřen a na zátěž je přivedeno maximální napětí, pokud v čase t1, t2, t3, pak pouze část sítě; napětí se uvolní v zátěži.
Obrázek 4 – Jednofázový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti
Úhel zpoždění, počítaný od okamžiku přirozeného odblokování tyristoru, vyjádřený ve stupních, se nazývá řídicí nebo regulační úhel a označuje se písmenem α. Změnou úhlu α (fázový posun řídicích impulsů vůči napětí na anodách tyristorů) měníme dobu otevření tyristorů a podle toho i usměrněné napětí na zátěži.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: