Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

OB21-OP-EL-ZEL-JANC-L-3-033 Usměrňovače OB21-OP-EL-ZEL-JANC-L-3-033

Usměrňovače Elektronická zařízení vyžadují pro svoji činnost elektrickou energii ve formě stejnosměrného napětí a proudu. Elektronické obvody, které přeměňují střídavé síťové napětí na napětí stejnosměrné, se nazývají usměrňovače. Když se pro činnost usměrňovače využívá pouze jeden druh půlvln střídavého napájecího napětí, hovoříme o jednocestném usměsňovači. Jestliže se pro činnost usměrňovače využívají obě půlvlny střídavého napájecího napětí, jedná se o dvojcestný usměrňovač.

Usměrňovače Usměrněné napětí nebývá vhodné pro napájení elektronických zařízení, protože obsahuje střídavou složku, tzv. zvlnění, které by se přenášelo do elektronického obvodu jako rušivé napětí. Z těchto důvodů se mezi usměrňovač a zátěž zařazuje vyhlazovací kondenzátor a při větších nárocích na vyhlazení jednostupňový, popř. dvojstupňový i vícestupňový filtr. Podobně jako u jiných zdrojů je velikost výstupního napětí usměrňovače ovlivňována velikostí jeho vnitřního odporu Ri.

Usměrňovače Vnitřní odpor jednocestného usměrňovače tvoří odpor jedné usměrňovací cesty a nazývá se odpor fáze usměrňovače Rf. Rf se skládá z odporu diody Rd a z odporu transformátoru Rt, který je tvořen odporem výstupního vinutí Rs a odporem vstupního vinutí Rp, přepočítaným na výstupní stranu pomocí převodu p. Potom je odpor fáze Rf dán vztahem: kde p je převod síťového transformátoru Up je napětí na primární straně a Us je napětí na sekundární straně transformátoru.

Jednocestný usměrňovač Obr.1 Jednocestný usměrňovač Usměrňovací dioda D je polarizována v přímém směru a prochází jí proud iF do zátěže RZ jen tehdy, když je na její anodě větší napětí než na katodě, což nastává při kladné půlvlně výstupního napětí u2.

Jednocestný usměrňovač Zátěží RZ prochází usměrněný, ale pulsující proud, jehož maximální hodnota je dána maximální hodnotou napětí na výstupním vinutí transformátoru a celkovým odporem usměrňovací větve Střední hodnota usměrněného proudu Id je

Jednocestný usměrňovač Průběhy napětí a proudu na diodě bez kondenzátoru

Jednocestný usměrňovač Průběhy napětí a proudu na diodě po připojení kondenzátoru

Jednocestný usměrňovač Střední hodnota usměrněného napětí naprázdno Ud0 je Střední hodnota usměrněného napětí Ud, jestliže zátěží prochází proud Id, je dána vztahem Ve vztahu pro Ud představuje první člen napětí naprázdno, druhý člen úbytek napětí na vnitřním odporu usměrňovače (na odporu fáze). Celý vztah představuje rovnici zatěžovací charakteristiky zdroje.

Jednocestný usměrňovač Průběh pulsujícího usměrněného napětí lze výrazně ovlivnit připojením kondenzátoru C0 o velké kapacitě paralelně k zátěži RZ. Bývá to obvykle elektrolytický kondenzátor s kapacitou několik desítek, stovek i více F. Čím má C0 větší kapacitu, tím je zvlnění menší. Maximální kapacita je omezena proudovým nárazem, který snese dioda v okamžiku připojení usměrňovače k elektrické síti — udává ji výrobce.

Jednocestný usměrňovač Průchodem proudu diodou se nabíjí kondenzátor v naznačené polaritě. Proud prochází diodou pouze v tom úseku periody, když napětí na transformátoru (na anodě diody) je větší než napětí na kondenzátoru C0 (katodě diody). Tento časový úsek se nazývá úhel vedení a označuje se . V době, kdy dioda nevede, vybíjí se kondenzátor C0 přes zátěž RZ. Z průběhů napětí je vidět, že napětí na zátěži RZ kolísá při nabíjení a vybíjení kondenzátoru C0 okolo střední hodnoty Ud.

Jednocestný usměrňovač Toto zvlnění, jehož první harmonická má stejnou frekvenci jako elektrická síť a má amplitudu UZV, je tím menší, čím menší je zatěžovací proud (vybíjecí proud kondenzátoru C0) a s tím související úhel vedení . Když pracuje usměrňovač naprázdno, nabije se kondenzátor C0 na maximální napětí výstupního vinutí U2m, dioda se uzavře a úhel vedení a zvlnění jsou nulové. Maximální napětí URm, kterým je dioda namáhána ve zpětném směru, je dáno součtem amplitudy napětí U2m ve zpětném směru a napětí U2m na kondenzátoru. K tomuto stavu dochází při práci usměrňovače naprázdno, potom URm = 2U2m.

Dvojcestný usměrňovač Kromě jednocestného usměrňovače se používá i zapojení, které využívá k usměrnění obou půlvln napájecího napětí transformátoru. Výstupní vinutí transformátoru má vyvedený střed, který se obvykle uzemní. Schéma zapojení je na následujícím obrázku.

Dvojcestný usměrňovač Napětí u2 a u‘2 jsou vůči sobě fázově posunuta o 180. Diodou D1 prochází proud iF1 v té polovině periody, kdy na její anodu působí kladná půlvlna napětí u2. Ve stejné době je dioda D2 uzavřena.

Dvojcestný usměrňovač Diodou D2 prochází proud iF2 ve druhé polovině periody, ve které na její anodu působí kladná půlvlna napětí u2, přitom je dioda D1 uzavřena. Diody D1 a D2 jsou střídavě otevřeny a zavřeny, proto zátěží prochází proud v obou půlperiodách. Pulsování má dvojnásobnou frekvenci a proud vytváří na zátěži napětí Ud.

Dvojcestný usměrňovač Průběhy napětí po připojení kondenzátoru

Dvojcestný usměrňovač Po připojení kondenzátoru paralelně k zátěži RZ dochází k jeho nabíjení proudovými impulsy s úhlem vedení  z diod D1 a D2 tehdy, když okamžitá hodnota napětí na transformátoru je vyšší než je napětí na kondenzátoru a zátěži. Zvlnění UZV má dvojnásobnou frekvenci a menší amplitudu než u jednocestného usměrňovače. Dnes je toto zapojení usměrňovače používáno málo a je nahrazováno usměrňovačem v můstkovém zapojení.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002