Jak funguje usměrňovač napětí?

Usměrňovač je speciální zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný nebo pulzující proud.

Rozdíl mezi stejnosměrným a pulzujícím proudem je změna proudu a napětí. V prvním případě nejsou žádné, ale ve druhém dochází k malým výkyvům v pozitivních oblastech. Střídavý proud se mění ze záporných na kladné hodnoty. K získání stejnosměrného proudu z pulzujícího proudu pomáhají filtry, které jsou umístěny v obvodu za usměrňovačem.

Kromě hlavní funkce se zařízení může stát střídačem a převádět střídavý proud ze stejnosměrného. Usměrňovač napětí může být několika typů: mechanický, polovodičový, elektrický vakuový.

Rozsah použití usměrňovačů

• o elektrické dopravě – tramvaje, trolejbusy, metro a železniční vlaky. Zařízení se používá k poskytování elektřiny do kontaktních sítí;
• v elektrárnách – v generátorech je zařízení odpovědné za spuštění výroby proudu;
• v chemickém průmyslu – zařízení se podílí na výrobě hliníku (v čisté formě), chlóru, alkálií, je také součástí elektrolýzních stanic, pomáhá při srážení kovů;
• v hutním průmyslu – jsou zařazeny do napájecího obvodu kabelu válcoven kovů;

v obnovitelné energii – usměrňovač pomáhá zvyšovat účinnost solárních panelů a řeší další problémy.

Domácí spotřebiče jsou také vybaveny usměrňovači malých rozměrů. Jsou součástí napájecího zdroje. Jednou z oblastí použití domácích spotřebičů jsou rádiová zařízení.

Princip činnosti usměrňovačů

Polovodičové prvky mají vlastnosti, které tvoří základ pro činnost usměrňovače. Navzdory skutečnosti, že vodivost těchto materiálů je poměrně průměrná, mění se v závislosti na okolní teplotě. Kromě toho se elektrony pohybují pouze od anody (mínus) ke katodě (plus). Střídavý proud teče v sinusoidě, když je buď v záporné oblasti, nebo v kladné oblasti.

Usměrňovač pracuje na základě této vlastnosti. Odstraňuje část vlny ze záporné oblasti, čímž zkracuje interval oscilace, a tím i dobu převodu v zařízení. Výsledkem je pulzující proud, jehož vlastnosti jsou blízké konstantní. A půlvlna negativní oblasti se může změnit na pozitivní (invertovat). To vše je možné díky můstkové konstrukci zařízení, skládající se ze 4 ventilů.

Technické parametry usměrňovačů

• Výkon zařízení – dává pochopení maximálního zatížení a je definován jako součet výkonů elektrických zařízení, která budou zahrnuta do sítě, s připočtením 30 %. Výkon se měří ve wattech nebo voltampérech. Převod wattů na voltampéry vypadá jako 1 až 0,7-1.
• Konverzní impuls (fáze) – existují jednofázové a třífázové zařízení. První pracují s napětím výhradně při 220 V, druhé – od 220 do 380 V a lze je připojit k sítím s jakoukoli fází.
• Vstupní napětí – představuje interval, ve kterém může zařízení stabilizovat proud. Zpravidla odpovídá 50-120% jmenovitého napětí. Pro 220 V to bude 130-270 V, pro 380 V 200-450 V.
• Výkon – měřeno v milisekundách. Představuje dobu, za kterou je úbytek napětí neutralizován. Účinnost a bezpečnost zařízení závisí na rychlosti přeměny střídavého proudu na stejnosměrný.
• Přesnost stabilizace napětí je chyba, kterou výrobce při měření považuje za přijatelnou. Vypadá to jako rozdíl napětí na výstupu zařízení: nominální a skutečný. Nejlepší možností je samozřejmě nula, což je prakticky nemožné. Pracovní možnost je 10 %, dobrá možnost je 7 % a 2 % jsou považována za vynikající.

• počet period oscilací sinusoidy střídavého proudu, které jsou v provozu;
• počet fází – častěji se používají jednofázové nebo třífázové, ale existují i ​​2fázové, stejně jako provedení s neomezeným počtem fází;
• typ zařízení – existují zařízení, která násobí napětí, včetně elektrického můstku, bez transformátoru nebo s transformátorem;
• druh polovodičové struktury odpovědné za přenos sinusovky. Mohou být vakuové, tyristorové, rtuťové, mechanické, diodové;
• vlnový typ – existují následující převodníky: analogový, pulzní a digitální.

Existuje několik běžně používaných obvodů pro typy usměrňovačů, které jsme popsali. Pojďme se na ně podívat blíže.

Jediný čtvrtinový most

Nebo půlvlnné zařízení, které je uznáváno jako nejjednodušší možnost. Zařízení využívá jednu diodu jako hradlo. Vysoká chyba (přes 10 %) vyžaduje použití filtrů, které by vyhladily proud ze střídavého na stejnosměrný. To zvyšuje složitost obvodu a vyžaduje více energie. V důsledku toho se model v průmyslových závodech používá jen zřídka. Ale pro počítače je to výhodné, zvláště pro ty, kde je vlnová frekvence asi 10 hertzů. Mezi nevýhody patří: malý výkon, vysoká pulzace, magnetizace. A výhodou je nízká cena.

Dva čtvrtinové mosty paralelně

Jedná se o komplikovaný model předchozího schématu, kde jsou použity dva stejné polomůstky. To znamená, že jejich síla a další vlastnosti musí být stejné. Ke spojení dochází tak, že kladná část vlny je rozdělena na dvě a procházejí každým čtvrtmůstkem současně. To se provádí za účelem zvýšení rychlosti, při které se proud (střídavý) stabilizuje. Chyba se sníží o 30-40 procent. Důvodem je nižší frekvence pulzování poloviny půlvlny oproti celku. Nevýhody však zůstávají stejné.

Dva plné mosty v sérii

Ne často používaný obvod dvoufázového usměrňovače. Vypadá to jako 2 můstky se 4 výkonovými diodami v každém. Jedna z nich bude anoda a druhá katoda. Kladná půlvlna projde první a záporná půlvlna druhou. Paralelní spojení umožňuje, aby obě části vlny procházely současně. V každém usměrňovači je část vlny rozdělena na 4 proudy s nižším zvlněním. Konstrukce umožňuje 4násobné zvýšení odporu obvodu, což přispívá k nižšímu zvlnění na výstupech.

Mostový okruh

Tento obvod je prezentován v celovlnných usměrňovačích. Konstrukčně se jedná o 2 diody plus transformátor. To umožňuje vést elektřinu ve 2 částech cyklu střídavého proudu. První diodou prochází kladná půlvlna sinusoida a druhou diodou záporná půlvlna. V důsledku toho je amplituda kolísání proudu poloviční. To se provádí následovně. Diody jsou připojeny k transformátoru, jeho sekundárnímu vinutí. Samotné vinutí je opatřeno odbočkou a poskytuje silný proudový odpor.

Obvod 12 diod

Jedná se o paralelní obvod, ale je poměrně neobvyklý a má nejhorší rozdělení. Konstrukčně to vypadá na paralelní zapojení 12 diod, proto bude půlvlna rozdělena na 6 nebo 12 paralelně běžících proudů. První možnost je možná invertováním záporné půlvlny (design by to měl umožňovat). Druhá je, když je odříznuta. V důsledku toho půlvlna procházející obvodem ztrácí kmity a vzniká stejnosměrný proud prakticky bez kmitů.

Tři plné mosty v sérii

Je to jedna z odrůd třífázového obvodu. Design vypadá jako 3 můstky se 4 diodami v každém. Výhodou je vysoký odpor systému, který je 9x větší než odpor jedné diody. Každý můstek má tohoto indikátoru 3x více než v jedné diodě. V důsledku toho se amplituda kmitů vln na vstupu snižuje, což snižuje další akce ke snížení zvlnění proudu na minimum. Výstupní napětí a proud zařízení budou vysoké. To umožňuje použít obvod pro výkonné elektrické generátory.

Larionovovo schéma

Byla vydána v roce 1924 z rukou profesora A.N. Larionová. Jedná se o můstkový obvod se 3 fázemi. Je v něm pouze 6 diod Úkolem je stabilizovat, invertovat záporné půlvlny a normalizovat kladné na střídavý proud. Konstrukčně jsou diody sloučeny do dvou třífázových skupin a je z nich vyroben můstek. V tomto případě bude první skupina spodní katoda a druhá bude horní anoda. V souladu s tím protéká záporný proud spodní částí a kladný proud horní částí. Půlvlny jsou rozděleny do 3 proudů, to snižuje zvlnění téměř na 0 nebo stejnosměrný proud. Pozitivní je nepřítomnost magnetizace v transformátoru.

Mitkevičovo schéma

V roce 1901 V.F. Mitkevich navrhl použití můstkového obvodu se 3 fázemi. Nejjednodušší je reprezentován 3 rovnoběžnými polomůstky. Vypadá to jako ostříhané Larionovovo schéma. Kladná půlvlna je v provozu a záporná půlvlna je odstraněna. První je rozdělen do 3 proudů a pulsace se snižuje. K jejich úplnému odstranění jsou potřeba filtry. Diody jsou připojeny přes sekundární vinutí transformátoru.

Pro více informací

Galvanické oddělení je příležitostně součástí obvodu zařízení. Ty se skládají mimo jiné z úložných zařízení. Proudové charakteristiky jsou v tomto případě zlepšeny snížením kolísání pulzujícího proudu. Je zde stálá dodávka usměrněného proudu.

Použití akumulačních zařízení (galvanické oddělení) umožňuje dodávat proud, který se nahromadil při průchodu kladné půlvlny, i v době nečinnosti. I přes zdánlivě nevýznamný časový úsek (milisekundy) má velký význam pro dodávku elektřiny. Použití tohoto obvodu je důležité pro zesilovače, které vyžadují absenci takové doby nečinnosti.