Najbežnejšie schémy usmerňovania striedavého prúdu na jednosmerný prúd
Usmerňovač je elektronické zariadenie určené na premenu elektrickej energie zo striedavého prúdu na jednosmerný prúd. Základom usmerňovačov sú polovodičové prvky s jednostranným vedením - diódy a tyristory.
Pri nízkom zaťažení (do niekoľkých stoviek wattov) sa premena striedavého prúdu na jednosmerný prúd uskutočňuje pomocou jednofázových usmerňovačov. Takéto usmerňovače sú určené na napájanie rôznych elektronických zariadení jednosmerným prúdom, budiacich vinutí jednosmerných motorov malého a stredného výkonu atď.
Pre ľahšie pochopenie činnosti obvodov usmerňovača budeme vychádzať z výpočtu, že usmerňovač pracuje na odporovej záťaži.
Jednofázový, polvlnový (jednocyklový) rektifikačný obvod
Obrázok 1 znázorňuje najjednoduchší rektifikačný obvod. Obvod obsahuje usmerňovač zapojený medzi sekundárne vinutie transformátora a záťaž.
Obrázok 1 - Jednofázový polvlnový usmerňovač: a) obvod - dióda otvorená, b) obvod - dióda zatvorená, c) časové schémy činnosti
Napätie u2 sa mení sínusovo, t.j.obsahuje kladné a záporné polvlny (polobdobia). Prúd v zaťažovacom obvode prechádza iba v kladných polcykloch, keď sa na anódu diódy VD aplikuje kladný potenciál (obr. 1, a). Pri obrátenej polarite napätia u2 je dióda uzavretá, prúd v záťaži netečie, ale na diódu sa privádza spätné napätie Urev (obr. 1, b).
Che. cez záťaž sa uvoľní iba jedna polvlna napätia sekundárneho vinutia. Prúd v záťaži tečie iba jedným smerom a je jednosmerný, hoci má pulzujúci charakter (obr. 1, c). Táto forma napätia (prúdu) sa nazýva jednosmerný impulz.
Usmernené napätia a prúdy obsahujú jednosmernú (užitočnú) zložku a striedavú zložku (vlnenie). Kvalitná stránka činnosti usmerňovača sa hodnotí vzťahom medzi užitočnou zložkou a napäťovým a prúdovým budením. Faktor zvlnenia tohto obvodu je 1,57. Priemerná hodnota korigovaného napätia za periódu Un = 0,45U2. Maximálna hodnota spätného napätia diódy Urev.max = 3,14Un.
Výhodou tohto obvodu je jeho jednoduchosť, nevýhody: zlé využitie transformátora, veľké spätné napätie diódy, vysoký pomer zvlnenia usmerneného napätia.
Jednofázový mostíkový obvod usmerňovača
Pozostáva zo štyroch diód zapojených do mostíkového obvodu. Na jednu uhlopriečku mostíka je pripojené sekundárne vinutie transformátora a na druhú záťaž (obr. 2). Spoločným bodom katód diód VD2, VD4 je kladný pól usmerňovača, spoločným bodom anód diód VD1, VD3 je záporný pól.
Obrázok 2-Jednofázový mostíkový usmerňovač: a) kladný polvlnový usmerňovací obvod, b) záporný polvlnový usmerňovač, c) časové schémy činnosti
Polarita napätia v sekundárnom vinutí sa mení s frekvenciou napájacej siete. Diódy v tomto obvode pracujú v pároch v sérii. V kladnom polperióde napätia u2 vedú diódy VD2, VD3 prúd a na diódy VD1, VD4 sa privedie spätné napätie a tie sa uzavrú. Počas zápornej polperiódy napätia u2 prúd tečie cez diódy VD1, VD4 a diódy VD2, VD3 sú zatvorené.Prúd záťaže tečie stále v jednom smere.
Obvod je celovlnný (push-pull), keďže obe polperiódy sieťového napätia Un = 0,9U2, koeficient zvlnenia — 0,67 sú rozložené na záťaž.
Použitie diódového spínacieho mostíkového obvodu umožňuje použiť jednofázový transformátor na usmernenie dvoch polcyklov. Okrem toho je spätné napätie aplikované na diódu 2-krát menšie.
Spotrebitelia so stredným a vysokým výkonom sú napájaní jednosmerným prúdom z trojfázové usmerňovače, ktorého použitie znižuje prúdové zaťaženie diód a znižuje faktor zvlnenia.
Trojfázový mostíkový obvod usmerňovača
Obvod pozostáva zo šiestich diód, ktoré sú rozdelené do dvoch skupín (obr. 2.61, a): katóda — diódy VD1, VD3, VD5 a anóda VD2, VD4, VD6. Záťaž je zapojená medzi miesta pripojenia katód a anód diód, t.j. na uhlopriečku stojaceho mosta. Obvod je pripojený k trojfázovej sieti.
Obrázok 3 – Trojfázový mostíkový usmerňovač: a) obvod, b) časové schémy činnosti
V každom okamihu prúdi záťažový prúd cez dve diódy.V katódovej skupine dióda s najvyšším anódovým potenciálom pracuje počas každej tretiny periódy (obr. 3, b). V anódovej skupine v tejto časti periódy pracuje dióda, ktorej katóda má najväčší negatívny potenciál. Každá z diód pracuje jednu tretinu periódy. Faktor zvlnenia tohto obvodu je iba 0,057.
Riadené usmerňovače - usmerňovače, ktoré spolu s korekciou striedavého napätia (prúdu) zabezpečujú reguláciu hodnoty korigovaného napätia (prúdu).
Riadené usmerňovače slúžia na riadenie otáčok jednosmerných motorov, jasu žiaru žiaroviek, pri nabíjaní batérií atď.
Riadené usmerňovacie obvody sú postavené na tyristoroch a sú založené na riadení otváracieho momentu tyristorov.
Obrázok 4a znázorňuje schému jednofázového riadeného usmerňovača. Pre možnosť korekcie dvoch polvĺn sieťového napätia sa používa transformátor s dvojfázovým sekundárnym vinutím, v ktorom sú vytvorené dve napätia s opačnými fázami. V každej fáze je zapnutý tyristor. Kladný polcyklus napätia U2 usmerňuje tyristor VS1, záporný - VS2.
Riadiaci obvod CS generuje impulzy na otvorenie tyristorov. Načasovanie otváracieho impulzu určuje, koľko polvlny sa uvoľní v záťaži. Tyristor sa otvorí, keď je kladné napätie na anóde a otvárací impulz na riadiacej elektróde.
Ak impulz príde v čase t0 (obr. 4, b), tyristor je otvorený počas celého polcyklu a maximálneho napätia na záťaži, ak v časoch t1, t2, t3, potom je iba časť sieťového napätia. uvoľnené do nákladu.
Obrázok 4 — Jednofázový usmerňovač: a) obvod, b) časové schémy činnosti
Uhol oneskorenia, meraný od okamihu prirodzeného zapálenia tyristora, vyjadrený v stupňoch, sa nazýva riadiaci alebo nastavovací uhol a označuje sa písmenom α. Zmenou uhla α (fázový posun riadiacich impulzov voči napätiu anód tyristorov) meníme čas otvoreného stavu tyristorov a podľa toho aj korigované napätie v záťaži.