Układy prostownicze i stabilizacyjne
1. Układy prostownicze i stabilizacyjne
opracował dr in\
. Grzegorz Stępień
Układy prostownicze to układy, przetwarzające prąd zmienny na prąd stały w przypadku
konieczności zasilania urządzeń elektrycznych prądem stałym.
y
ródłem energii elektrycznej jest najczęściej sieć energetyczna prądu zmiennego:
jednofazowa 230V lub trójfazowa: 3x230V / 3x400V.
Do prostowania prądu zmiennego stosowane są diody półprzewodnikowe; wykorzystuje się
tutaj właściwości jednokierunkowego przewodzenia prądu.
1.1. Prostownik jednopołówkowy
Najprostszym układem prostowniczym jest prostownik jednopołówkowy. Schemat takiego
układu zamieszczono na Rys.1.1, przebiegi napięć w układzie przedstawiono na Rys.1.2.
Napięcie zmienne pobierane jest z sieci energetycznej 230V za pośrednictwem transformato-
ra, co pozwala na uzyskanie dowolnej, od-
i io
D
Tr
powiedniej dla prostownika wartości
napięcia zmiennego. Na uzwojeniu
220V
wtórnym transformatora występuje
u uo Ro
50Hz
napięcie zmienne o wartości skutecznej U,
amplitudzie Um = 2 i przebiegu:
u(t) = Um sin �t = 2U sin �t (1.1)
Rys.1.1. Schemat prostownika jednopołówkowego
Do transformatora dołączone jest
poprzez diodę D obcią\
enie, przedstawione jako rezystor Ro.
Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku - wtedy, gdy do anody doprowadzone jest
napięcie dodatnie względem katody. Dioda przewodzi zatem prąd tylko w czasie dodatnich półokre-
sów napięcia zmiennego a prąd w obwodzie ma kształt dodatnich połówek sinusoidy.
W dodatniej połówce okresu:
u - ud 2Usin �t - ud
io = =
Ro Ro
gdzie ud oznacza spadek napięcia na diodzie, określony przez charakterystykę i(u) diody.
Napięcie ud jest niewielkie, nie przekracza na ogół 1V. W wielu przypadkach mo\
na pominąć
to napięcie wobec napięcia u. Przy takim uproszczeniu:
u 2U
io E" = sin �t
R Ro
o
W ujemnej połówce okresu napięcia zmiennego do anody diody doprowadzone jest napięcie
ujemne względem katody. W tych warunkach dioda nie przewodzi, prąd io praktycznie równa się 0 a
całe napięcie zmienne odkłada się na diodzie.
Napięcie uo na obcią\
eniu Ro jest równe ró\
nicy między napięciem u i napięciem na diodzie
ud i ma taki sam przebieg jak prąd io:
uo = u - ud = io �" Ro .
W dodatniej połówce okresu uo jest mniejsze od u o niewielki spadek napięcia na diodzie:
uo = 2Usin �t - ud E" 2 sin �t ;
1
Układy prostownicze i stabilizacyjne
u
u
Um w ujemnej połówce okresu uo.
uo
Wartość średnia napięcia uo jest ró\
na
od zera i wynosi:
ud
T Ą
t
1 1
0
Uo = (t)dt E" ( 2Usin �t)d�t
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
o
+"u +"
T 2Ą
0 0
skąd:
-Um
2U Um
Uo = = = 0,45U = 0,32Um
ud
Ą Ą
1V
t
0 Napięcie uo podzielić mo\
na na dwie
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
składowe: składową stałą o wartości Uo i
składową zmienną, równą uo(t)-Uo. Napięcie
uo jest sumą tych dwóch składowych.
-Um
Napięcie wyjściowe prostownika (Uo)
Um io
nie jest stałe, lecz zmienne w czasie. Jest to
R
o
jednak napięcie jednokierunkowe, o ró\
nej
od zera wartości średniej (składowej stałej).
Składowa ta jest po\
ądanym efektem
t
0
działania prostownika. Oprócz składowej
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
uo
stałej napięcie uo zawiera tak\
e niepo\
ądaną
Um
składową zmienną, określaną jako tętnienia.
Miarą zawartości tętnień jest tzw. współ-
Uo
czynnik zawartości tętnień, zdefiniowany
t
0
jako stosunek wartości skutecznej napięcia
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
składowa stała uo
tętnień (wartości skutecznej składowej
zmiennej) do wartości średniej (składowej
Uo
t stałej) napięcia na obcią\
eniu:
0
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
Ut
składowa zmienna uo
t =
Um-Uo
Uo
W omawianym układzie prostownika
t
0
jednopołówkowego t = 1,21. Występują tu
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
-Uo
du\
e tętnienia (wartość skuteczna tętnień jest
większa od składowej stałej!) i przetwarzanie
Rys.1.2. Przebiegi napięć i prądu w prostowniku
napięcia zmiennego na stałe jest dalekie od
jednopołówkowym
doskonałości. Pomimo to prostowniki takie
są u\
ywane do zasilania niektórych rodzajów
urządzeń elektrycznych (np. pewnych typów silników elektrycznych prądu stałego) lub ładowania
akumulatorów (przebiegi w układzie ulegają przy tym modyfikacji ze względu na występowanie w
obwodzie siły elektromotorycznej).
Dioda, pracująca w prostowniku musi mieć dostateczną dopuszczalną wartość prądu anodo-
wego Iamax, dostateczną dopuszczalną wartość średnią prądu wyprostowanego Iomax (dla wygody
u\
ytkowników mo\
liwości prądowe diod prostowniczych określa się przez podanie dopuszczalnego
średniego prądu wyprostowanego) oraz dostatecznie du\
e dopuszczalne napięcie wsteczne  URmax.
W prostowniku jednopołówkowym wymagane parametry diody są następujące:
2
Układy prostownicze i stabilizacyjne
Um 2U Uo
Ia max e" = , Io max e" , - UR max e" Um = 2U .
Ro Ro Ro
1.2. Prostownik dwupołówkowy
Prostownik dwupołówkowy dostarcza do obcią\
enia prąd jednokierunkowy w obu połówkach
okresu przebiegu zmiennego, co zapewnia bardziej efektywne przetwarzanie prądu zmiennego na
prąd stały.
Na Rys.1.3 przedstawiono schemat prostownika dwupołówkowego z dwoma uzwojeniami
wtórnymi transformatora (a-b i b-c) połączonymi szeregowo. Uzwojenia te dostarczają takie same
napięcia zmienne:
i i
1 o
D1
uab = ubc = u1 = -u2
a
o przebiegu sinusoidalnym, określonym
Tr
równaniem (1.1).
u u Ro
1 o
Uzwojenie a-b, dioda D1 i obcią\
e-
220V b
nie Ro tworzą prostownik jednopołówko-
50Hz
wy zgodny z układem z Rys.1.1, zasilany
u napięciem zmiennym u1. Punkt b stanowi
2
i
punkt odniesienia (masę) układu. Uzwoje-
2
D2
c
nie c-b, dioda D2 i obcią\
enie Ro tworzą
drugi prostownik jednopołówkowy, zasila-
Rys.1.3. Prostownik dwupołówkowy z dwoma
ny napięciem zmiennym u2. Względem
uzwojeniami wtórnym transformatora
punktu odniesienia b (masy układu) napię-
cie u2 ma przeciwną biegunowość ni\
u1
(jest przesunięte w fazie o 180o względem napięcia u1). Dzięki temu diody przewodzą prąd na
przemian w kolejnych połówkach okresu (Rys.1.5). W połówce okresu, w której końcówka a ma
potencjał dodatni względem punktu b (masy), prąd i1 przewodzi dioda D1. Końcówka c ma
wówczas potencjał ujemny względem punktu b i dioda D2 nie przewodzi. W drugiej połówce
okresu biegunowość napięć na końcówkach a i c względem b jest przeciwna i prąd i2 przewodzi
dioda D2. W obu półokresach prąd przez Ro płynie w tym samym kierunku. Prąd obcią\
enia
io = i1 + i2 a napięcie na obcią\
eniu ma wartość uo = ioR .
o
Przy pominięciu spadków napięcia na diodach wartość średnia (składowa stała) napięcia Uo
wynosi:
T Ą
1 1 2 2U 2Um
Uo = (t)dt E" 2 ( 2U sin �t)d�t = = = 0,9U = 0,64Um . (1.2)
o
+"u +"
T 2Ą Ą Ą
0 0
Współczynnik tętnień w układzie ma wartość t = 0,482. Przy prostowaniu dwupołówkowym
uzyskuje się, jak widać, większą składową stałą i mniejsze tętnienia ni\
w układzie prostownika
jednopołówkowego, niemniej jednak wartość chwilowa napięcia wyprostowanego okresowo na
krotko osiąga wartość równą zero (Rys. 1.4).
Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym muszą wytrzymywać przepływ prądu ano-
dowego o wartości maksymalnej
3
Układy prostownicze i stabilizacyjne
u u
u 1 2 ud1
Um
u
1V
t
o
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
-Um
-2Um
Um i1
R ud2
o
1V
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
I1
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
Um i2
R
o
I2
t
-2Um
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
Um io = i + i2
1
R
o
składowa stała uo
Uo
t t
0 0
5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40
[ms] [ms]
uo składowa zmienna uo
Um Um-Uo
t
Uo
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
t
-Uo
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
Rys.1.4. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku dwupołówkowym z podwójnym uzwojeniem wtórnym
transformatora
Um 2U
Ia max E" =
R R
o o
(takiej samej jak w układzie jednopołówkowym), przepływ średniego prądu wyprostowanego
Uo
1 1
Iomax = Io E"
2 2 R
o
o wartości dwa razy mniejszej ni\
w układzie jednopołówkowym (na całkowity prąd obcią\
enia
składa się tutaj prąd dwóch diod) oraz wytrzymywać napięcie wsteczne o wartości równej dwóm
amplitudom zmiennego napięcia zasilającego:
- UR max =e" 2Um = 2 2U .
Tak du\
a wartość napięcia wstecznego, dwa razy większa ni\
w układzie jednopołówkowym,
wynika z występowania na anodzie diody napięcia ujemnego o wartości - Um w chwili, gdy do
4
Układy prostownicze i stabilizacyjne
katody diody doprowadzane jest przez drugą, przewodząca diodę, napięcie dodatnie o wartości
prawie równej + Um .
Na Rys.1.5 przedstawiono schemat prostownika dwupołówkowego mostkowego z pojedyn-
czym uzwojeniem wtórnym transformatora. Do końcówek a-b tego uzwojenia dołączony jest układ
mostkowy, zło\
ony z czterech diod
i
a
Tr D1...D4. Do drugiej przekątnej mostka
D4 D1
dołączone jest obcią\
enie Ro.
i
o
220V Uzwojenie wtórne transformatora dostar-
u
50Hz
cza napięcie zmienne u o przebiegu
D3 D2
sinusoidalnym, określonym równaniem
u Ro
o
b
(1.1). W półokresie napięcia u, w którym
potencjał punktu a jest dodatni względem
punktu b (Rys.1.6.a), diody D1 i D3
Rys.1.5. Schemat prostownika dwupołówkowego most-
polaryzowane są w kierunku
kowego
przewodzenia a diody D2 i D4 w
kierunku zaporowym. Płynie wówczas
a)
prąd i1 o kształcie połówki sinusoidy od
i i1
a +
punktu a poprzez diodę D1, obcią\
enie
Tr
Ro, diodę D3 do punktu b. W drugim
D4 D1
i1 i
o
półokresie napięcia u, w którym potencjał
220V
u
50Hz punktu a jest ujemny względem punktu b
(Rys.1.6.b), diody D1 i D3 polaryzowane
D3 D2
u Ro
o
b -
są w kierunku zaporowym a diody D2 i
i1
D4 w kierunku przewodzenia. Płynie przy
tym prąd i2 o kształcie połówki sinusoidy
b)
i i2 od punktu b poprzez diodę D2, obcią\
enie
a -
Ro, diodę D4 do punktu a. W obu
Tr
D4 D1
półokresach przez Ro płynie w tym
i2 i
o
samym kierunku prąd io = i1 + i2.
220V
u
50Hz
Napięcie uo = ioR ma taki sam
o
D3 D2
przebieg, wartość średnią i współczynnik
u Ro
o
b +
tętnień jak w prostowniku dwupo-
i2
łówkowym z dwoma uzwojeniami
wtórnymi transformatora.
Rys.1.6. Drogi przepływu prądu w dodatnim (a) i ujem- Przebiegi napięć i prądów w ukła-
nym (b) półokresie napięcia zmiennego u
dzie zamieszczono na Rys.1.7. Wartości
szczytowe i1, i2, io i uo są nieco
mniejsze ni\
w układzie z podwójnym uzwojeniem wtórnym transformatora gdy\
napięcie uo jest
mniejsze od napięcia u o spadek napięcia nie na jednej lecz na dwóch diodach ( uo = u - 2ud ).
Maksymalne napięcie wsteczne diod jest dwa razy mniejsze ni\
w układzie z podwójnym
uzwojeniem wtórnym transformatora i równa się w przybli\
eniu amplitudzie napięcia zmiennego
Um = 2U . Całe napięcie zmienne odkłada się na dwóch przewodzących diodach i obcią\
eniu Ro i
w przybli\
eniu to samo napięcie występuje na diodach nie przewodzących (Rys.1.6).
5
Układy prostownicze i stabilizacyjne
u
u
Um
u
o
u
d1
1V
t t
0 0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms] [ms]
5 10 15 20 25 30 35 40
-Um -Um
Um i1 ud2
1V
R t
o
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
I1
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
-Um
Um i2
R
o
I2
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
Um io = i + i2 uo
1
Um
R
o
Uo
t t
0 0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms] 5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
Rys.1.7. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku dwupołówkowym mostkowym
Prostownik dwupołówkowy mostkowy umo\
liwia znacznie lepsze wykorzystanie transforma-
tora ni\
układ z podwójnym uzwojeniem wtórnym. Takie same efekty uzyskuje się za pomocą
prostszego transformatora. Ponadto przez uzwojenie wtórne w dodatniej i ujemnej połówce okresu
płynie prąd o takim samym przebiegu i wartości lecz w ró\
nych kierunkach tak, \
e prąd ten nie
zawiera składowej stałej. W prostowniku jednopołówkowym lub prostowniku dwupołówkowym z
podwójnym uzwojeniem wtórnym przez uzwojenia wtórne płynie w jednym kierunku przez pół
okresu prąd o niezerowej wartości średniej (składowej stałej). Powoduje to magnesowanie rdzenia i
mniej korzystne warunki pracy transformatora.
Z tych względów, pomimo konieczności u\
ycia dwa razy większej liczby diod, prostownik
dwupołówkowy mostkowy jest chętniej stosowany ni\
układ z podwójnym uzwojeniem wtórnym
transformatora. Budowę takich układów ułatwiają scalone mostki prostownicze, zawierające odpo-
wiednio połączone cztery diody o maksymalnej dopuszczalnej wartości średniej prądu wyprostowa-
nego Iomax od 1 do 5 A.
1.3. Prostownik z filtrem pojemnościowym
(z kondensatorem zbiorczym)
Znaczne zmniejszenie tętnień w układzie prostowniczym uzyskuje się przez włączenie między
prostownik a obcią\
enie filtru wygładzającego napięcie. W filtrach takich stosuje się elementy
6
Układy prostownicze i stabilizacyjne
id D io
zdolne do magazynowania energii
Tr
elektrycznej (kondensatory) lub magnetycznej
C
(cewki indukcyjne  dławiki).
+
220V
u uo Ro
50Hz
Najprostszy filtr, tzw. filtr pojemnoś-
ciowy, (Rys.1.9) tworzy się przez dołączenie
kondensatora równolegle do wyjścia prostow-
nika (równolegle do obcią\
enia). Zmienia to
Rys.1.9. Schemat prostownika jedno-
połówkowego z filtrem pojemnościowym
przebiegi napięć i prądów w układzie
(kondensatorem zbiorczym)
(Rys.1.8). W dodatnim półokresie napięcia
u u zmiennego u, w chwili t1 napięcie u, dopro-
u o
Um
wadzone do anody diody staje się większe od
napięcia uo występującego na obcią\
eniu Ro,
kondensatorze C i katodzie diody. Dioda
t
0
przewodzi wówczas prąd, płynący przez
t1 5 t2 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
kondensator C i obcią\
enie Ro. Powoduje to
ładowanie kondensatora do napięcia u ze stałą
czasową określoną przez pojemność C i
-Um
niewielką rezystancję szeregową przewo-
i
d
dzącej diody. Ze względu na bezwładność
Im
procesu ładowania napięcie na kondensatorze
narasta wolniej ni\
napięcie u. Po osiągnięciu
Id
maksymalnej wartości U napięcie u
m
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 zaczyna maleć. Zmniejsza się równie\

[ms]
uo
napięcie na kondensatorze, lecz wolniej ni\

Um
Uo napięcie u. W chwili t2 napięcie u na anodzie
diody staje się mniejsze od napięcia na
kondensatorze i katodzie diody i dioda
t
0
przestaje przewodzić. Kondensator utrzymuje
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
ud
w dalszym ciągu du\
ą wartość napięcia uo ,
1V
t
0
która powoli maleje wykładniczo w wyniku
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
rozładowywania kondensatora przez
obcią\
enie Ro ze stosunkowo du\
ą stałą
czasową, równą C �" Ro . W kolejnym
dodatnim półokresie napięcia u, napięcie na
anodzie diody staje się znowu większe od
napięcia uo na katodzie i kondensator C jest
ponownie ładowany prądem przepływającym
-2Um
przez diodę. Napięcie uo na obcią\
eniu i
Rys.1.8. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku
jednopołówkowym z filtrem pojemnościowym
kondensatorze C wykazuje niewielkie
(z kondensatorem zbiorczym)
wahania (tętnienia), znacznie mniejsze ni\
w
układzie prostowniczym bez filtru (kon-
densatora). Wartość średnia Uo tego napięcia jest du\
a, o wartości zbli\
onej do Um.
Prąd diody płynie tylko przez część dodatniego półokresu napięcia u, w czasie od t1 do t2. Prąd
ten musi dostarczyć do kondensatora ładunek, wystarczający na pokrycie ciągłego przepływu przez
7
Układy prostownicze i stabilizacyjne
obcią\
enie prądu io o wartości uo/Ro a wartość średnia prądu diody Id jest równa wartości średniej
prądu obcią\
enia Uo/Ro. Impulsy prądu diody mają w związku z tym du\
ą amplitudę, znacznie
większą od Um/Ro. W przykładowych przebiegach z Rys.1.8 maksymalny prąd diody:
Im E" 12 �" Id = 12 �" Uo / R .
o
u,id u uo
Um
Znaczna część napięcia zmiennego u
3Im
odkłada się na diodzie jako napięcie wsteczne.
id
W chwili, gdy na anodzie diody występuje mini-
malne napięcie o wartości - Um , na katodzie
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
diody kondensator utrzymuje napięcie
uo H" +Um . Maksymalna wartość napięcia
wstecznego jest bliska 2Um.
-Um
Dioda, pracująca w układzie prostownika
Rys.1.10. Przebieg napięcia uo i prądu id po
z filtrem pojemnościowym musi wytrzymywać
włączeniu napięcia u w chwili t = 0;
napięcie wsteczne o wartości 2Um i przepływ
gdyby w chwili włączenia (t = 0) u = U ,
m
prądu o wartości średniej:
pierwszy impuls prądu miałby wielokrotnie
Io = Uo / Ro E" Um / R
o
większą amplitudę
oraz du\
o większej wartości maksymalnej.
Impuls prądu o szczególnie du\
ej amplitudzie
płynie przez diodę w pierwszym dodatnim półokresie napięcia zmiennego u bezpośrednio po
włączeniu tego napięcia, gdy kondensator C nie jest jeszcze naładowany i początkowa wartość
i uo = 0 (Rys.1.10). Wartość prądu szyb-
a
Tr
ko maleje w wyniku ładowania kon-
D4 D1
densatora i wzrostu napięcia uo.
i
o
220V
Szybkość ładowania kondensatora i
u
50Hz
malenia prądu diody zale\
y od
C
+
D3 D2
pojemności kondensatora. Producenci
u Ro
o
b
diod podają w danych katalogowych
maksymalną pojemność kondensatora,
dopuszczalną dla danego typu diody.
Rys.1.11. Schemat prostownika dwupołówkowego z filtrem
Jeszcze lepszą stałość napięcia uo
pojemnościowym (z kondensatorem zbiorczym)
(i w rezultacie mniejsze tętnienia)
uzyskuje się w prostowniku
u uo
u,i
Um d
dwupołówkowym z filtrem pojemnościowym
Uo
Im (Rys.1.11). Kondensator jest ładowany dwa
i i
d1 d2
razy częściej, w ka\
dej połówce okresu
Id
t (Rys.1.12), dzięki czemu w przerwach między
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
ładowaniem spadek napięcia na kondensatorze
jest mniejszy. Prąd diody ma mniejszą wartość
maksymalną Im ni\
w prostowniku
-Um jednopołówkowym, gdy\
ładunek, wymagany
do przepływu przez obcią\
enie określonej
Rys.1.12. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku
wartości średniej prądu Io = Id dostarczany jest
dwupołówkowym z filtrem pojemnościowym
przez dwa impulsy prądu dwóch diod.
(z kondensatorem zbiorczym)
Prostowniki z filtrem pojemnościowym
8
Układy prostownicze i stabilizacyjne
umo\
liwiają uzyskanie prawie stałego napięcia uo , o małych tętnieniach, przy odpowiednio du\
ej
stałej czasowej C �" Ro . Z tego względu prostowniki takie są powszechnie stosowane do zasilania
urządzeń o niezbyt małych wartościach Ro, a zatem urządzeń o niezbyt du\
ym poborze prądu i
mocy.
Dalsze zmniejszenie tętnień uzyskać mo\
na przez zastosowanie dodatkowych filtrów wygła-
i
a
Tr
D4 D1 L
i
o
220V
u
50Hz
C1 C
+ +
D3 D2
u1 uo Ro
b
R i
o
C
+
u1 uo Ro
Rys.1.13. Prostownik z kondensatorem zbiorczym
i dodatkowym filtrem LC lub RC (z filtrem typu Ą )
dzających LC lub RC (Rys.1.13). (Razem z kondensatorem zbiorczym filtr taki nazywa się tak\
e
filtrem typu Ą). Element szeregowy filtru (L lub R) tworzy wraz z obcią\
eniem Ro dzielnik napięcia,
niewiele tłumiący składową stałą. Tłumienie składowej zmiennej (tętnień) jest natomiast znacznie
silniejsze ze względu na małą dla tej składowej impedancję kondensatora C:
1
u du\
e Ro małe Ro << Ro
Um
�C
i du\
ą impedancję cewki �L .
Zastosowanie filtrów, zwłaszcza RC,
t
0 ograniczone jest do przypadków niezbyt du\
ego
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
poboru prądu przez obcią\
enie, przy którym nie
występuje zbyt du\
y spadek napięcia stałego na
elemencie szeregowym filtru.
-Um
W prostownikach z kondensatorem zbior-
czym (z filtrem pojemnościowym lub typu Ą)
Rys.1.14. Przebiegi napięcia wyjściowego w
tętnienia rosną wraz ze zmniejszaniem
prostowniku z filtrem pojemnościowym przy
rezystancji obcią\
enia R , a zatem ze wzrostem
o
du\
ym i małym R
o
poboru prądu i mocy przez obcią\
enie
(Rys.1.14). Z tego powodu prostowniki takie nie
nadają się do zasilania urządzeń du\
ej mocy. Stosowane są wówczas inne układy, omówione w
następnych punktach.
9
Układy prostownicze i stabilizacyjne
1.4. Prostownik z filtrem indukcyjnym
Filtr indukcyjny tworzy cewka włączona szeregowo z obcią\
eniem (Rys.1.15). U\
ywana w
tym celu cewka, z reguły z rdzeniem magnetycznym i o du\
ej indukcyjności, nazywana jest
L
dławikiem. Cewka gromadzi w polu
id D io
magnetycznym energię, proporcjonalną do
Tr
kwadratu przepływającego przez nią prądu
220V i przeciwdziała zmianom prądu (opóz
nia te
u uo Ro
50Hz
zmiany ze stałą czasową L / Ro). W
dodatniej połówce okresu napięcia u
(Rys.1.16) anoda diody jest polaryzowana
Rys.1.15. Schemat prostownika jednopołówkowego dodatnio względem katody i w obwodzie
z filtrem indukcyjnym
płynie prąd id = io, którego zmiany są złago-
dzone i opóz
nione względem zmian
u
u,i
Um d
napięcia u. Ponadto powstająca w cewce
id
siła elektromotoryczna samoindukcji po-
woduje przeciąganie przepływu prądu przez
część ujemnego półokresu napięcia u.
t
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
W układzie prostownika jednopołów-
kowego z filtrem indukcyjnym nie uzyskuje
się korzystnego przebiegu prądu obcią\
enia
io i napięcia uo = ioRo, prostowniki takie nie
-Um
są zatem praktycznie stosowane. Filtr
indukcyjny zapewnia natomiast ciągły
Rys.1.16. Przebieg prądu id = io w prostowniku
przepływ prądu przez obcią\
enie i małe tęt-
jednopołówkowym z filtrem indukcyjnym
nienia tego prądu w prostowniku
dwupołókowym (Rys.1.17). W dodatniej
połówce okresu napięcia u (Rys.1.18) prąd i1 przewodzony jest przez diody D1 i D3. W ujemnej
połówce okresu prąd i2 przewodzony jest przez diody D2 i D4. Co pół okresu następuje szybka
zmiana przewodzenia diod (tzw. komutacja). Prąd io = i1 + i2 waha się wokół wartości średniej
Io = Uo / Ro . Wartość średnia
i
a
Tr
Uo napięcia uo = ioR zbli\
ona
o
D4 D1 L
i
jest do wartości średniej U o
śr 220V
u
przebiegu u , określonej zale\
- 50Hz
D3 D2
nością (1.2) dla prostownika dwu-
uo Ro
b
połówkowego. Wartość Uo jest
mniejsza od U o spadek napię-
śr
cia na diodach i rezystancji
Rys.1.17. Schemat prostownika dwupołówkowego
uzwojenia dławika. Przebiegi io i
z filtrem indukcyjnym
uo mają charakter sinusoidalny, o
niezbyt du\
ej amplitudzie i
częstotliwości dwa razy większej od częstotliwości przebiegu u.
Przy sinusoidalnym napięciu u = Um sin �t przebieg uo opisany jest zale\
nością:
uo = Uo - U2 cos(2�t - �2 )
10
Układy prostownicze i stabilizacyjne
u uo
u
gdzie:
Um
Uśr
2Um
Uo = ;
Uo
Ą
t 4Um 1 2�L
0
U2 = �2 = arctg ;
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
3Ą 2 Ro
�ł �ł
2�L
�ł �ł
1+
�ł �ł
Ro
�ł łł
-Um
Amplituda składowej zmiennej U2 maleje
i
o przy zmniejszaniu wartości Ro. A zatem w ukła-
Io
dzie tym, przeciwnie ni\
w układzie z filtrem po-
i i i i
1 2 1 2 jemnościowym, tętnienia maleją ze wzrostem prą-
t
du obcią\
enia. Wynika to z magazynowania w
0
5 10 15 20 25 30 35 40 [ms]
indukcyjności energii, proporcjonalnej do kwa-
dratu prądu; im większy prąd, tym większa energia
Rys.1.18. Przebiegi napięć i prądów w prostow-
niku dwupołówkowym z filtrem indukcyjnym magazynowana i tym skuteczniejsze działanie
dławika.
Tętnienia mo\
na zmniejszyć, dołączając
dodatkowy kondensator równolegle do obcią\
enia Ro. Tworzy się wówczas filtr LC o schemacie jak
na Rys.1.13 z pominiętym kondensatorem C1. Przy małej wartości Ro mo\
e być jednak\
e trudne
uzyskanie kondensatora C o admitancji 1/ �C co najmniej kilkakrotnie mniejszej od rezystancji Ro.
Prostowniki dwupołówkowe z filtrem indukcyjnym u\
ywane są w przypadku du\
ych
prądów i małych rezystancji obcią\
enia Ro, przy których prostowniki z filtrem pojemnościowym
nie są w stanie zapewnić odpowiednio małych tętnień. Czynnikiem ograniczającym stosowanie
układu są trudności z wykonaniem dławika o odpowiednio du\
ej indukcyjności L (a zatem o du\
ej
liczbie zwojów), zdolnego do przewodzenia znacznej składowej stałej prądu bez nadmiernego
spadku napięcia (co wymaga drutu o du\
ym przekroju).
Diody pracujące w prostowniku z filtrem indukcyjnym muszą spełniać takie same wymagania,
jak w układzie prostownika bez filtru. Nie ma tutaj impulsów prądu o du\
ej wartości szczytowej,
jak w prostowniku z filtrem pojemnościowym, gdy\
indukcyjność nie dopuszcza do gwałtownych
zmian prądu.
1.5. Prostowniki wielofazowe
Ze względu na dopuszczalną obcią\
alność sieci elektroenergetycznej, do zasilania prądem
stałym urządzeń elektrycznych du\
ej mocy (rzędu kilku kW i więcej) stosuje się prostowniki
zasilane z sieci trójfazowej 3x230V / 3x400V.
Schemat prostownika trójfazowego jednopołówkowego przedstawiono na Rys.1.19. Transfor-
mator TR dostarcza trzy napięcia sinusoidalne u1, u i u3 , przesunięte względem siebie w fazie o
2
120o (Rys.1.20). Ka\
de z tych napięć doprowadzone jest poprzez diodę (D1, D2 lub D3) do ob-
cią\
enia Ro. Drugi koniec obcią\
enia dołączony jest do punktu zerowego (masy) układu. Jedno z
napięć u1, u lub u3 ma w określonych przedziałach czasowych wartość dodatnią, większą od
2
dwóch pozostałych. Dioda zasilana takim napięciem jest polaryzowana w kierunku przewodzenia i
przewodzi prąd i1, i2 lub i3, przepływający przez obcią\
enie. Pozostałe dwie diody, dołączone do
napięć o mniejszych wartościach są w tym czasie zablokowane. Prąd obcią\
enia io jest sumą
11
Układy prostownicze i stabilizacyjne
i D3
prądów i1, i2 i i3. W chwilach
3
zrównania się dodatnich wartości
i
1
napięć sąsiednich faz następuje
szybkie przełączenie diod (tzw.
u
1
D1
komutacja). Przebieg napięcia uo
jest zbli\
ony do obwiedni dodatnich
TR połówek napięć u1, u i u3
2
(mniejszy od nich o spadek napięcia
i i
D2
2 o
na diodzie).
Wartość średnia (składowa
u u
3 2
stała) napięcia na obcią\
eniu ma war-
u Ro
o
tość:
3 3 3 3
Uo = Um = U ,
2Ą
Ą 2
Rys.1.19. Schemat prostownika trójfazowego
Uo = 0,83Um = 1,17U a współczynnik
jednopołówkowego
tętnień wynosi:
t = 0,177 (17,7 %).
u1 u u3
2 Maksymalna wartość prądu
u
Um
diody jest równa:
Uo
Ia max E" Um / R ;
o
u
o
średnia wartość prądu przewo-
dzenia:
t
1 1 Uo
0
20 25 35 Id = Io E" ,
5 10 15 30 40
[ms]
3 3 Ro
a maksymalna wartość napięcia
wstecznego diody wynosi:
- Ud max E" 3Um = 6U ;
-Um
- Ud max E"1,73Um = 2,46U .
io
Io
Schemat prostownika trój-
fazowego dwupołówkowego po-
kazano na Rys.1.21. Trzy diody
i i i i i i
1 2 3 1 2 3
D1, D2 i D3, przewodzące w kie-
t
0 runku do obcią\
enia, łączą jedną
5 10 15 20 25 30 35 40
[ms]
końcówkę obcią\
enia Ro z trzema
Rys.1.20. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku trójfazowym przesuniętymi względem siebie w
jednopołówkowym.
fazie o 120o napięciami u1, u2 i
u3. Druga końcówka Ro
połączona jest tak\
e z napięciami u1, u2 i u3 przez trzy diody D4, D5 i D6, przewodzące w kierunku
od obcią\
enia. W układzie przewodzi zawsze jedna z diod D1, D2 lub D3, dołączona do tego
napięcia u1, u2 lub u3, które ma aktualnie większą od pozostałych wartość dodatnią i jedna z diod
D4, D5 lub D6, dołączona do tego napięcia u1, u2 lub u3, które ma aktualnie mniejszą od
12
Układy prostownicze i stabilizacyjne
i
3 pozostałych wartość ujemną. W ka\
-
D3
dej chwili czasowej płynie jeden z
i
1
prądów i1, i2 lub i3, prąd obcią\
enia
D1
' '
u
1
io i jeden z prądów i1, i' lub i3 . W
2
i i
2 o
D2
chwilach zrównania się wartości na-
pięć ujemnych lub dodatnich połówek
TR
sąsiednich faz następuje zmiana
u Ro
o
przewodzenia diod i przełączenie
'2
i
D5
(komutacja) prądów (Rys.1.22).
u u
3 2 '1 Do obcią\
enia Ro doprowadzo-
i
D4
ne jest poprzez dwie przewodzące
'3
i diody napięcie uo , równe ró\
nicy
D6
między napięciem (u1, u2 lub u3) o
wartości dodatniej, zbli\
onej do
Rys.1.21. Schemat prostownika trójfazowego dwupołówkowego
+ Um a napięciem (u1, u2 lub u3) o
wartości ujemnej, zbli\
onej do - Um .
u Wartość średnia tego napięcia
uo
jest równa:
Uo
Uo = 1,65Um = 2,34U .
Napięcie uo jest prawie stałe a
u u u
1 2 3
współczynnik tętnień ma małą
Um
wartość t = 0,04 (4% bez filtru!)
Maksymalna wartość prądu dio-
dy jest równa:
Ia max E" 3Um / Ro ;
t
średnia wartość prądu przewo-
0
20 25 35
5 10 15 30 40
[ms]
dzenia wynosi:
Uo
1 1
Id = Io E" ,
3 3 R
o
a maksymalna wartość napięcia
-Um wstecznego diody jest taka sama
jak w układzie prostownika
i i i
1 2 3
trójfazowego jednopołówkowe-
go.
i'2 i'3 i'1 i'2
Prostownik z Rys.1.21
zapewnia uzyskanie niewielkich
Rys.1.22. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku trójfazowym tętnień bez jakichkolwiek ele-
dwupołówkowym
mentów filtrujących. Mo\
na go
wykorzystać do zasilania urzą-
dzeń w przypadku trudności z uzyskaniem małych tętnień w układach prostowników jedno-
fazowych z filtrem pojemnościowym lub indukcyjnym.
Prostowniki trójfazowe (a nawet sześciofazowe) są powszechnie stosowane do zasilania mikroprocesora na
płycie głównej komputera PC. Napięcie trój- lub sześcio- fazowe wytwarzane jest przez odpowiedni układ generacyjny..
13
Układy prostownicze i stabilizacyjne
Procesor Intel Pentium Core 2 Duo Desktop (65 nm) zasilany jest napięciem 1,5 V, skąd pobiera prąd do 75A.
Odpowiada to rezystancji obcią\
enia 0,02 &!. Zbudowanie prostownika jednofazowego z filtrem pojemnościowym lub
indukcyjnym jest przy tych parametrach niewyobra\
alne.
1.6. Zale\
ność napięcia wyjściowego prostownika od napięcia sieci
i prądu obcią\
enia; schemat zastępczy prostownika
We wszystkich omawianych układach prostowniczych napięcie wyjściowe jest proporcjonalne
do napięcia zmiennego, pobieranego przez transformator z sieci elektroenergetycznej. Przy
zmianach (wahaniach) napięcia sieci napięcie Uo ulega tak\
e zmianom.
Ponadto Uo maleje przy wzroście prądu obcią\
enia Io . Przyczyną tego jest rosnący ze
wzrostem prądu spadek napięcia na diodach prostowniczych i rezystancjach uzwojeń transformatora
oraz zwiększanie szybkości rozładowania kondensatora lub spadek napięcia na uzwojeniu dławika.
Zale\
ność ta nazywa się charakterystyką obcią\
enia.
Przykładową zale\
ność napięcia Uo od napięcia sieci i prądu obcią\
enia przedstawiono na
Rys.1. 23.
20 20
18 18
16 16
14 14
12 12
Uo Uo
10 10
[V] [V]
8 8
6 6
4 4
2 2
0 0
176 198 220 242 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Us [V] Io [mA]
Rys.1.23. Zale\
ność napięcia wyjściowego prostownika od napięcia sieci i prądu obcią\
enia
Rw Io
Prostownik mo\
na uwa\
ać za z
ródło napięcia (Rys.1.24)
o sile elektromotorycznej proporcjonalnej do napięcia sieci:
E = Uo(Io = 0) = kUs i określonej, ró\
nej od zera rezystancji
E Uo Ro wewnętrznej:
Uo
R =
w
R
o
Us =const
W wielu przypadkach zale\
ność napięcia Uo od napięcia
Rys.1.24. Schemat zastępczy
prostownika
Us i prądu Io jest niepo\
ądana. W celu zmniejszenia tej zale\
-
ności stosowane są stabilizatory napięcia.
1.7. Stabilizatory napięcia
Stabilizator napięcia włącza się między wyjście prostownika (z ew. filtrem) a obcią\
enie.
Napięciem wejściowym stabilizatora jest napięcie wyjściowe prostownika.
14
Układy prostownicze i stabilizacyjne
Ir Io
R1
Najprostszym stabilizatorem napięcia jest
+
stabilizator z diodą Zenera o schemacie przed-
Ia
stawionym na Rys.1.25. Do napięcia wejściowego
U1 dołączona jest poprzez rezystor R1 dioda Zenera
U1 Ua U2 Ro
Dz
Dz . Dodatni biegun napięcia dołączony jest do
katody diody, ujemny  do anody. Dioda po-
-
laryzowana jest w kierunku zaporowym. Przy
Rys.1.25. Schemat stabilizatora napięcia przepływie przez diodę odpowiednio du\
ego prądu
z diodą Zenera
anodowego (od wartości ok. Ia1 do wartości ok.
Ia2 , Rys.1.26) na zaciskach diody występuje
Ia
niewiele zmieniające się (stabilizowane) napięcie Ua = U2 .
Ua2 U Ua
a1
0
Napięcie to jest napięciem wyjściowym stabilizatora.
Ia1
Równolegle do diody dołączone jest obcią\
enie Ro.
Napięcie wejściowe U1 musi być większe od napięcia
wyjściowego U2 (najczęściej U1 E" (1,5...2)U2 . Przez rezystor
R1 płynie prąd:
U1 - U2
Ir =
R1
a przez obcią\
enie Ro prąd:
U2
Ia2
Io = .
Ro
Przez diodę przepływa prąd Ia = Ir - Io . Gdy zmienia się
Rys.1.26. Charakterystyka
U1 lub Io, zmienia się wartość Ia , lecz dzięki właściwościom
Ia (Ua ) diody Zenera
diody Zenera napięcie U2 pozostaje prawie stałe, je\
eli wartość
Ia utrzymuje się w odpowiednich granicach. Prąd Ia nie mo\
e być zbyt mały, gdy\
powodowałoby
to wejście w niekorzystny początkowy zakres charakterystyki zaporowej Ia (Ua ) diody. Z kolei
prąd Ia nie mo\
e być większy od wartości określonej przez dopuszczalną moc traconą w diodzie:
Pmax
Ia max =
Ua (Ia max )
Właściwe warunki pracy diody zapewnia się przez dobór wartości U1 i R1 przy danych
wartościach U2 i Ro.
Wartość napięcia U2 zale\
y od typu diody Zenera. Produkowane są diody o nominalnym
napięciu stabilizowanym od 3,3V do 27V, ró\
nicowanym co 5%. Dopuszczalna moc tracona w dio-
dzie Pmax ma wartość od 0,25W do kilku  kilkudziesięciu W.
W typowych stabilizatorach z diodą Zenera uzyskuje się stałość napięcia U2 rzędu 1...2%.
Specjalne stabilizatory z odpowiednio dobranymi diodami Zenera i małej mocy wyjściowej
stosowane są jako wzorce napięcia o bardzo du\
ej stałości U2 .
15
Układy prostownicze i stabilizacyjne
Lepszą stabilizację napięcia przy większym prądzie wyjściowym zapewniają stabilizatory
pracujące w bardziej rozbudowanym układzie automatycznej regulacji napięcia. Schemat
podstawowego układu tego typu przedstawiono na Rys.1.27. Do wejścia stabilizatora
doprowadzone jest niestabilizowane napięcie U1 odpowiednio (1,5 do 2 razy) większe od napięcia
wyjściowego U2 . Napięcie wyjściowe pobierane jest z emitera tranzystora T1, którego kolektor
dołączony jest do napięcia wejściowego U1. Baza T1 sterowana jest napięciem UC3 wzmacniacza
z tranzystorem T3 poprzez pośredniczący (dodatkowo wzmacniający prąd) tranzystor T2. Do
emitera T3 doprowadzone jest napięcie odniesienia Uz , uzyskiwane ze stabilizatora napięcia,
zło\
onego z diody Zenera D i rezystora R3. Do bazy T3 doprowadzona jest próbka napięcia
z
wyjściowego U2 , dostarczana przez dzielnik napięcia zło\
ony z rezystorów R1 i R . Napięcie
2
bazy T3 ma wartość:
R R1R R
2 2
UB3 = U2 - IB3 2 E" U2 (1.3)
R1 + R R1 + R R1 + R
2 2 2
(je\
eli prąd Ib3 jest mały w
T1
+
porównaniu z prądem płynącym
+
T2
przez rezystory R1 i R ). Tran-
Io
2
R4 R3 R1
zystor T3 sterowany jest napięciem
baza-emiter:
UBE3 = UB3 - Uz (1.4)
Ic3
U1 U2 Ro
T3
które jest ró\
nicą między próbką
napięcia wyjściowego U2 i napię-
Uc3
ciem odniesienia Uz . W wyniku
działania napięcia UBE3 tranzystor
T5 R2
Dz
Uz
R5 -
T3 przewodzi prąd kolektora IC3 .
-
Prąd ten przepływa przez rezystor
R , wytwarzając na nim spadek
4
Rys.1.27. Schemat stabilizatora napięcia z automatyczną
napięcia o wartości IC3R i usta-
4
regulacją napięcia wyjściowego
lając napięcie UC3 na kolektorze
tranzystora T3:
UC3 E" U1 - IC3R
4
Prąd IC3 i napięcie UC3 przyjmują takie wartości, przy których spełniona jest zale\
ność:
UC3 + UBE2 + UBE1 = U2 (1.5)
gdzie UBE2 i UBE1 oznacza spadki napięcia (rzędu 0,6...0,8V) na złączach baza-emiter przewo-
dzących tranzystorów T2 i T1. Napięcie U2 ma wartość określoną zale\
nościami (1.3) i (1.4):
R1 + R �ł R1R �ł �ł �ł
R1
2
�ł �ł �ł �ł
U2 = UBE3 + IBE3 2 + UZ �ł E" (UBE3 + UZ)
�ł �ł1+ R �ł
R R1 + R
2 �ł 2 łł �ł 2 łł
16
Układy prostownicze i stabilizacyjne
W układzie stosuje się rezystory R1 i R oraz napięcie Uz o du\
ej dokładności i stałości.
2
Warunki pracy układu dobiera się tak, aby zmiany wartości IB3 i UBE3 w niewielkim stopniu
wpływały na zmiany wartości U2 .
Układ dą\
y do utrzymania stałego napięcia U2 . Jeśli z jakichkolwiek przyczyn U2 rośnie,
zwiększa się wysterowanie tranzystora T3 i prąd IC3 . Zwiększa się przez to spadek napięcia
IC3R , zmniejsza napięcie UC3 i zmniejsza napięcie U2 . Mo\
na to zapisać jako:
4
U2 ę!, IC3 ę!, IC3R ę!, UC3 i U2
4
Podobnie przy zmniejszeniu U2 :
U2 , IC3 , IC3R , UC3 ę! i U2 ę!
4
co zapobiega zmianom U2 .
Napięcie U2 mo\
e być stabilizowane z dokładnością ą0,1... ą0,001% przy U2 do kilkudzie-
sięciu woltów i prądzie obcią\
enia Io do kilku  kilkudziesięciu amperów.
Tranzystor T5 z umieszczonym między bazą i emiterem rezystorem R ogranicza
5
maksymalną wartość prądu obcią\
enia Io . Przez R przepływa prąd Io i wytwarza napięcie
5
UBE5 = IoR5 , polaryzujące złącze baza-emiter tranzystora w kierunku przewodzenia. Dopóki
napięcie to jest mniejsze od wartości progowej rzędu 0,5 ... 0,6 V, tranzystor T5 nie przewodzi. Po
przekroczeniu wartości progowej pojawia się znaczący prąd kolektora tego tranzystora. Prąd ten
przepływa przez R i powoduje zmniejszenie napięcia U . Zmniejsza to napięcie U2, określone
4 C3
zale\
nością (1.5) i zmniejsza prąd Io. Io nie mo\
e przekroczyć wartości, przy której
UBE5 = IoR5 E" 0,6...0,8V . Zabezpiecza to elementy układu, a w szczególności tranzystor T1 przed
zniszczeniem w wyniku przepływu zbyt du\
ego prądu Io np. w przypadku zwarcia zacisków
wyjściowych stabilizatora. Charakterystykę U2 (Io ) stabilizatora przedstawiono na Rys.1.28.
W normalnych warunkach pracy w tranzystorze T1 wydzielana jest moc o wartości
P1max = (U1max - U2 )Io max . W przypadku zwarcia zacisków wyjściowych stabilizatora moc ta
'
rośnie do znacznie większej wartości P1max = U1maxIo max . Aby uniknąć zwiększonego wydzie-
lania mocy poza normalnym zakresem pracy, stosuje się bardziej zło\
one ograniczniki prądu
wyjściowego stabilizatora, zmniejszające prąd zwarcia znacznie poni\
ej wartości Io max (Rys.1.29).
U2 U2
Io Io
0 0
I I
omax omax
Rys.1.28. Charakterystyka U2(Io ) Rys.1.29. Charakterystyka U2(Io )
stabilizatora napięcia z prostym stabilizatora napięcia z ogranicznikiem
ogranicznikiem prądu prądu zmniejszającym prąd zwarciowy
17
Układy prostownicze i stabilizacyjne
Stabilizatory napięcia z automatyczną regulacją napięcia wyjściowego produkowane są w
postaci układów scalonych, w trzynó\
kowych obudowach umo\
liwiających zastosowanie radiatora.
Praca stabilizatora z automatyczną regulacją napięcia wyjściowego o budowie jak na Rys.1.27
polega na pobieraniu prądu wyjściowego Io ze z
ródła napięcia wejściowego U1 o większej wartości
ni\
U2 i odkładaniu nadmiaru napięcia (U1  U2) na tranzystorach regulacyjnych (T1 i T2 z
Rys.1.27). Dla zapewnienia właściwej pracy tych tranzystorów napięcie (U1  U2) wynosić musi co
najmniej 1& 2 V przy najni\
szym przewidywanym napięciu wejściowym (U1min). Przy napięciu
nominalnym lub maksymalnym ró\
nica (U1  U2) osiąga znacznie większe wartości. Przez
tranzystory regulacyjne płynie cały prąd wyjściowy Io. Moc dostarczana ze z
ródła U1, równa
Pdost=U1Io jest znacznie większa od mocy dostarczonej do obcią\
enia Po=U2Io (o moc traconą w
tranzystorach regulacyjnych). W rezultacie stabilizatory tego typu mają niską sprawność, na ogół
nieprzekraczającą 50& 60%1.
W większości urządzeń elektronicznych są obecnie stosowane stabilizatory impulsowe o
znacznie większej sprawności. W stabilizatorach takich prąd ze z
ródła napięcia wejściowego U1 po-
bierany jest impulsami, przedzielanymi przerwami w przepływie prądu. Prąd Io w obcią\
eniu płynie
oczywiście w sposób ciągły, co zapewniają elementy zdolne do magazynowania energii
elektrycznej: dławiki i kondensatory. Dzięki impulsowemu sposobowi pobierania prądu, wartość
średnia prądu pobieranego ze z
ródła napięcia wejściowego jest mniejsza od Io, co zmniejsza straty
mocy i zwiększa sprawność.
T L
Io
Układ
sterowania
tranzystora T
U1 Ud D C U2 Ro
Komparator
UR
Rys.1. 30. Schemat ilustrujący zasadę pracy stabilizatora
impulsowego.
Schemat ideowy jednego z rodzajów stabilizatora impulsowego przedstawiono na Rys.1.30.
Do wejścia stabilizatora doprowadzone jest niestabilizowane napięcie U1 o wartości większej
(na ogół znacznie większej) od wymaganego napięcia wyjściowego U2. Napięcie to mo\
e być
podawane dalej, w kierunku wyjścia układu, poprzez tranzystor T, pracujący jak zestyk zwierno 
rozwierny (klucz), włączany lub wyłączany przez odpowiedni układ sterowania. Układ taki zawiera
komparator napięcia z histerezą, porównujący napięcie wyjściowe U2 z napięciem odniesienia UR.
Je\
eli napięcie U2 jest mniejsze od (UR+h), gdzie h to pół histerezy komparatora, tranzystor T jest
1
Przyjmując U1 równe (1,5 do 2) U2 obliczamy sprawność � jako (U2Io)/(U1Io) czyli U2/(1,5..2)U2, skąd �=(0,5
do 0,67).
18
Układy prostownicze i stabilizacyjne
silnie wysterowany a\
do nasycenia i łączy dławik L z napięciem U1. Napięcie na diodzie D jest
prawie równe U1 (o ok. 0,2 V mniejsze), lecz dioda D nie przewodzi, gdy\
ma katodę
spolaryzowaną dodatnio względem anody. Ze z
ródła U1 płynie prąd poprzez tranzystor T i dławik L
do obcią\
enia Ro. Indukcyjność dławika ogranicza narastanie prądu, wytwarzając siłę
elektromotoryczną samoindukcji, przeciwdziałającą zmianie prądu. Napięcie na indukcyjności ma
wartość:
diL
u = L (1.6)
L
dt
gdzie iL oznacza chwilową wartość prądu dławika. W tych warunkach napięcie to jest w
przybli\
eniu równe ró\
nicy między napięciem wejściowym i wyjściowym U1 U2. Prąd płynący
przez przewodzący tranzystor T, dławik L i obcią\
enie Ro powoduje wzrost napięcia wyjściowego
U2 a w dławiku gromadzona jest energia, wyra\
ona ogólnym wzorem:
1
2
W = (Io ) L
2
Gdy napięcie U2 wzrasta do wartości progu komparacji (UR+h), układ sterowania blokuje
tranzystor T i dławik L zostaje odłączony od napięcia U1. Prąd w dławiku L nie mo\
e przy tym ulec
gwałtownej zmianie i płynie w dalszym ciągu, teraz w obwodzie zło\
onym z L, Ro i D. Dioda D
przewodzi i napięcie na niej wynosi ok.  0,6.. 0,7V. Prąd dławika i prąd obcią\
enia Io maleje w
miarę ubywania energii zgromadzonej w indukcyjności. Maleje tak\
e napięcie U2.
Kiedy napięcie U2 staje się mniejsze od progu komparacji (UR h), układ sterowania włącza
tranzystor T i następuje ponowny cykl dopływu prądu ze z
ródła napięcia wejściowego U1.
Przy zablokowanym tranzystorze T napięcie na indukcyjności, określone wzorem (1.6) jest w
przybli\
eniu równe  U2.
Przyjmując, \
e w czasie tw, gdy tranzystor T przewodzi, napięcie na indukcyjności jest równe
U1 U2, a w czasie tb, gdy jest zablokowany, ma wartość  U2, na podstawie zale\
ności (1.6) mo\
na
napisać:
1 1
"iL = (U1- U2)�" t = U2 �" t
w b
L L
skąd:
tw
U2 = U1
t + tb
w
czyli napięcie U2 jest średnią arytmetyczną napięcia Ud, przekazywanego impulsowo do dławika.
Ud
Przebieg napięcia Ud i prądu dławika iL w funkcji czasu t
U1
pokazano na Rys.1.31. Ze z
ródła napięcia wejściowego U1 prąd
iL jest pobierany w czasie tw, w przedziałach zakreskowanych
U2
na Rys.1.31. W czasie tb prąd iL ze z
ródła U1 nie płynie.
t
0
Średnia wartość prądu, pobieranego z U1 wynosi:
tw tb
tw
Isr = Io
tw + tb
iL
"iL
iLmax
Przy przyjętych uproszczeniach: pominięciu spadku na-
Io
pięcia na włączonym tranzystorze T, przewodzącej diodzie D i
t
iLmin
0
rezystancji uzwojenia dławika, moc pobierana z U1:
Rys.1. 31. Napięcie Ud i prąd dławika iL.
19
Układy prostownicze i stabilizacyjne
tw
P1 = Io �" U1 = U2 �" Io
t + tb
w
jest taka sama, jak moc oddawana do obcią\
enia P2=U2�"Io. Przy przyjętych uproszczeniach układ
ma absolutną sprawność (100%). Układy rzeczywiste mają sprawność rzędu 70& 80%.
Częstotliwość pracy układu, równą odwrotności okresu tw+tb dobiera się rzędu kilkudziesięciu
kHz.
Praca stabilizatora jest utrudniona przy małym prądzie obcią\
enia, gdy w czasie pobierania
prądu tw dławik gromadzi mało energii. Nale\
y wówczas zmodyfikować sterowanie włączaniem
tranzystora T.
W rzeczywistych układach stabilizatorów impulsowych stosuje się specjalizowane układy
scalone, wyposa\
one w wewnętrzne z
ródło napięcia odniesienia oraz mechanizmy zabezpieczające,
ograniczające prąd zwarcia i moc traconą w układzie (Rys.1.32). Pozwala to na budowanie urządzeń o
dobrych parametrach i du\
ej sprawności.
T L
BDP286
1,2 mH
3,6k&!
C
Io
D BY239
2000�F
620k&!
8 7
VCC VC
4 6
VREF VOUT
U1 U2 Ro
10
ILI
LM723
2k&! 62&!
1k&!
1
IN+ ISEN
9
IN COMP
5
VE
5,1k&!
24pF
Rys.1. 32. Schemat impulsowego stabilizatora napięcia z układem scalonym LM723
(U2 = 5V)
Je\
eli stabilizatory współpracują z układami prostowniczymi, zasilanymi z sieci energetycznej
przez transformator sieciowy, to dodatkowe znaczne straty mocy występują w transformatorze.
Transformator taki jest ponadto du\
y i cię\
ki, nawinięty na rdzeniu z blach z metalu o dobrych
właściwościach magnetycznych2.
W większości współczesnych urządzeń elektronicznych stosowane są zasilacze stabilizowane
z transformatorami pracującymi przy znacznie wy\
szej ni\
sieciowa częstotliwości, rzędu 20& 200
kHz. Transformatory takie są du\
o mniejsze i l\
ejsze, nawinięte na rdzeniach ferrytowych.
Charakteryzują się przy tym du\
o większą sprawnością energetyczną. Schemat blokowy takiego
zasilacza, nazywanego  stabilizatorem impulsowym z kluczowaniem po stronie pierwotnej
przedstawiono na Rys.1.33.
2
Aby z sieci 230V 50Hz transformator pobierał prąd jałowy 0,1A, indukcyjność transformatora powinna
wynosić: 2ĄfL=230V/0,1A skąd L=7,32 H. Porównaj z L=1,2 mH w układzie z Rys.1.32.
20
0,1
�
Układy prostownicze i stabilizacyjne
230V Klucz Transformator
Prostownik Prostownik Filtr U2
50Hz tranzystorowy w.cz.
Izolacja
Regulator
galwaniczna
Rys.1. 33. Schemat stabilizatora impulsowego z transformatorem wysokiej częstotliwości (w.cz.) i
kluczowaniem po stronie pierwotnej tego transformatora.
Oprócz stabilizatorów napięcia stosowane są tak\
e stabilizatory prądu o Io E" const .
Literatura uzupełniająca:
Ulrich Tietze, Christoph Schenk:  Układy półprzewodnikowe , Rozdział 18: Układy
zasilające;
WNT, Warszawa 1997.
21