Z historického hľadiska je výnosnejšie a lacnejšie prijímať elektrinu vo forme striedavého prúdu generovaného výrobcami elektrární. Takéto znázornenie umožnilo efektívne preniesť ho na veľké vzdialenosti. Na prijímacej strane bolo prevedené na jednofázové napätie vhodné pre spotrebiteľov av tejto forme vstúpilo do elektrického vedenia. Avšak vnútorné obvody najmodernejších prijímačov energie potrebujú stále napájanie, ktorého hodnota je vybraná zo štandardnej série hodnôt 5, 9, 12, 24, 36 alebo 48 voltov. Na ich získanie sa do obvodu elektronických zariadení musel zaviesť špeciálny usmerňovač napätia (napríklad 24 voltov).
Princíp činnosti usmerňovača
Pre jasné pochopenie princípu činnosti jednosmerného usmerňovača musíte najskôr zvážiť, že na usmerňovanie striedavého napätia sa používajú polovodičové prvky (diódy). Ich charakteristickou črtou je schopnosť viesť prúd iba jedným smerom. Vďaka tejto vlastnosti bude mať striedavé napätie privádzané na výstupe formu kladných pulzácií s prerušením dolných polovíc periódy oscilácie. Pri pozitívnych polvlnách prúdi cez diódu prúd, ktorý je základom pre vytvorenie konštantného napájania. Na jeho získanie sú potrebné ďalšie elektrické prvky.
Každý usmerňovač prúdu obsahuje tieto hlavné uzly:
- Krokový transformátor, ktorý prevádza 220 voltov na požadovanú hodnotu;
- sada diód (mostík);
- vyhladzovací (filtračný) kondenzátor;
- stabilizátor vyrobený na základe tranzistorových prvkov.
Existuje veľa možností pre elektronické usmerňovače, ktoré sa líšia počtom a spôsobom pripojenia diód, ako aj ich prevádzkovými parametrami. Obzvlášť zaujímavé sú rôzne prístupy k začleneniu diódových prvkov do obvodu. Stabilizačná kaskáda usmerňovacieho zariadenia je zostavená na tranzistorových spínačoch nazývaných elektronické relé.
Druhy usmerňovačov
V závislosti od spôsobu zapínania polovodičových diód sú všetky striedavé usmerňovače rozdelené do nasledujúcich typov:
- polvlna (polvlna);
- dve polvlny (plná vlna so stredným bodom alebo Mitkevichova schéma);
- Gretzov most alebo usmerňovače;
- usmerňovače s zdvojnásobením prevádzkového napätia a inými, menej bežnými obvodmi.
Prepínanie v polovici vlny je najjednoduchšia metóda použitá na usmernenie striedavého prúdu. Iným názvom je obvod nulového usmerňovača.
Použitím zariadení tejto triedy je možné získať iba pulzujúci (používaný iba polovičný) výstupný prúd. Schémy založené na princípe polvlny sa vyznačujú nízkou účinnosťou konverzie a používajú sa zriedka. Ich náprotivky s polovičnou vlnou obsahujú dve diódy a poskytujú polvlnnú rektifikáciu oboch polarít. Sú účinnejšie a používajú sa v jednoduchých napájacích zdrojoch.
Jednofázové mostíkové usmerňovače, takzvané Gretzove obvody so 4 diódami, sa vyznačujú vysokou účinnosťou, ktorá sa chápe ako účinnosť využitia energie prijatej z transformátora.
Napätie na výstupe polovodičových usmerňovacích mostov je dobrým základom pre následné vyhladenie a stabilizáciu - získanie jednosmerného prúdu.
Všeobecne sa používajú v zariadeniach so zvýšenou energetickou náročnosťou, ako sú generátory s výstupným napätím od desiatok do stoviek voltov. Medzi ich výhody patrí:
- nízke spätné napätie (voltové zlomky);
- malé rozmery;
- vysoká účinnosť použitia transformátora (v porovnaní so schémou Mitkevich).
Významnou nevýhodou mostíkových obvodov je dvojnásobný pokles napätia cez diódy, ktorý ich núti pri výbere výstupných parametrov transformátora s rezervou počas ich vývoja. Táto časť užitočnej energie sa potom stratí na križovatkách štyroch diód.
Typy usmerňovačov podľa funkčnosti
Známe vzorky usmerňovačov sú podľa svojho účelu a funkčnosti rozdelené na jednofázové a trojfázové zariadenia. Prvý sa používa v elektrických sieťach bytových domov a súkromných domov a je určený na napájanie domácich spotrebičov. Druhé sú elektronický modul pozostávajúci z 3 jednotiek rovnakého typu vyrobený podľa jednej z nasledujúcich schém:
- jednosmerné usmerňovače;
- push-pull systémy;
- kombinované moduly: s dvoma trojfázovými vinutiami s paralelným a sériovým zapojením diód.
Použitie schém transformácie s jedným cyklom je obmedzené kvôli nízkej účinnosti usmerneného napätia. Ich analógy typu push-pull sa široko používajú v jednosmerných motoroch a iných elektrických strojoch, ktoré obsahujú konštrukciu kefiek. Okrem klasických usmerňovačov určených na inštaláciu v komutátorových motoroch existujú aj schémy, ktoré môžu niekoľkokrát zvýšiť výstupné napätie. Špeciálnym prípadom takýchto riešení je usmerňovač zdvojnásobenia napätia.
Usmerňovací obvod so zdvojnásobením napätia sa v detailoch líši od už uvažovaných možností. Takéto zariadenia sa bežne nazývajú multiplikátory, ktoré sa dajú ľahko zostaviť vlastnými rukami.
Základné vzťahy pri výpočte usmerňovača
Na výpočet dvojfázového usmerňovača vybraného ako príklad je potrebné poznať nasledujúce počiatočné údaje:
- vstupné napätie pôsobiace v sekundárnom vinutí transformátora;
- prúd v diódach prúdiacich v obvode, pričom sa berie do úvahy zaťaženie;
- kapacitancia elektrolytického kondenzátora vybraná na základe daného koeficientu vyrovnania vlnenia;
- maximálne napätie na ňom.
Je dôležité vziať do úvahy pokles napätia cez polovodičové diódy v otvorenom stave.
Vypočítané pomery pre tento prípad sú uvedené v nasledujúcej forme.
- Prúd vo vinutí transformátora sa rovná veľkosti jeho maximálnej hodnoty v záťaži (Iobm = Inagr).
- Napätie v sekundárnom vinutí v kľudovom režime je U2≈ 0,75 Uload.
- Usmerňovacie diódy sa odporúčajú s nasledujúcimi parametrami: Ureb> 3,14Unag a Imax> 1,57Inag.
Usmerňovače sa široko používajú v rôznych oblastiach elektrotechniky a elektroniky vrátane moderných riadiacich systémov. Preto je také dôležité pochopiť, čo sú súčasné usmerňovače a aké sú ich variácie, ktoré sa používajú na vybudovanie najúčinnejších obvodov.
