1. Układy prostownicze (prostowniki)

Są to układy, przetwarzające prąd zmienny na prąd stały w przypadku konieczności zasilania urządzeń elektrycznych prądem stałym.

Źródłem energii elektrycznej jest najczęściej sieć energetyczna prądu zmiennego: jednofazowa 220V lub trójfazowa: 3x220V / 3x380V.

Do prostowania prądu zmiennego stosowane są diody półprzewodnikowe; wykorzystuje się tutaj właściwości jednokierunkowego przewodzenia prądu.

1. Prostownik jednopołówkowy.

Rys.1.1. Schemat prostownika jednopołówkowego

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 220V za pośred­nic­twem transfor­­ma­to­ra, co pozwala na uzyskanie dowol­nej, od­powiedniej dla prostownika wartości napięcia zmiennego. Na uzwojeniu wtórnym transformatora wys­tępuje napięcie zmienne o wartości sku­tecznej U, ampli­tu­dzie
i prze­biegu:

(1.1)

Do transformatora dołączone jest poprzez diodę D obciążenie, przedsta­wio­ne jako rezystor
.

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 półokre­sów napięcia zmiennego a prąd w obwodzie ma kształt dodatnich połówek sinusoidy.

W dodatniej połówce okresu:

gdzie
oznacza spadek napięcia na diodzie, określony przez charakterystykę i(u) diody.

Napięcie
jest niewielkie, nie przekracza na ogół 1V. W wielu przypadkach można pominąć to napięcie wobec napięcia u. Przy takim uproszczeniu:

W ujemnej połówce okresu napięcia zmiennego do anody diody doprowadzone jest napięcie ujemne względem katody. W tych warunkach dioda nie przewodzi, prąd
praktycznie równa się 0 a całe napięcie zmienne odkłada się na diodzie.

Napięcie
na obciążeniu
jest równe różnicy między napięciem u i napięciem na diodzie
i ma taki sam przebieg jak prąd
:

.

W dodatniej połówce okresu
jest mniejsze od u o niewielki spadek napięcia na dio­dzie:

;

w ujemnej połówce okresu
.

Rys.1.2. Przebiegi napięć i prądu w prostowniku jedno­połówkowym.

Wartość średnia napięcia
jest róż­na od zera i wynosi:

skąd:

Napięcie
podzielić można na dwie skła­­dowe: składową stałą o wartości
i skła­­dową zmienną, równą
. Na­pię­­cie
jest sumą tych dwóch składo­wych.

Napięcie wyjściowe prostownika (
) nie jest stałe, lecz zmienne w czasie. Jest to jednak napięcie jedno­kie­run­kowe, o różnej od zera wartości średniej (składowej stałej). Składowa ta jest pożądanym efektem działania prostownika. Oprócz składowej stałej napięcie
zawie­ra także niepożądaną składową zmienną, określaną jako tętnienia. Miarą zawartości tętnień jest tzw. współ­czyn­nik zawartości tętnień, zdefiniowany jako stosunek wartości skutecznej napięcia tętnień (wartości skutecznej składowej zmiennej) do wartości średniej (składowej sta­łej) napięcia na obciążeniu:

W omawianym układzie prostownika jednopołów­ko­wego t = 1,21. Występują tu duże tętnienia (war­tość skuteczna tętnień jest większa od składowej sta­łej!) i prze­­tw­arzanie napięcia zmiennego na stałe jest dalekie od doskonałości. Pomimo to prostowniki takie są używane 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 anodo­we­go
, dostateczną dopuszczalną war­tość średnią prądu wyprostowanego
(dla wygody użytkowników możliwości prądowe diod prostowniczych określa się przez podanie dopuszczalnego średniego prądu wyprostowanego) oraz dostatecznie duże dopuszczalne napięcie wsteczne
. W prostowniku jednopołówkowym wymagane parametry diody są następujące:

,
,
.

1. Prostownik dwupołówkowy.

Prostownik dwupołówkowy dostarcza do obciążenia prąd jednokierunkowy w obu połówkach okresu przebiegu zmiennego, co zapewnia bardziej efektywne przetwarzanie prądu zmien­nego na prąd stały.

Rys.1.3. Prostownik dwupołówkowy z dwoma uzwoje­niami wtórnym transformatora.

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:

o przebiegu sinusoidalnym, określonym równaniem (1.1).

Uzwojenie a-b, dio­da D1 i obciąże­nie
tworzą prostownik jednopołówko­wy zgodny z układem z Rys.1.1, zasilany napięciem zmiennym
. Punkt b stanowi pun­k­t odniesienia (masę) układu. Uzwo­je­nie c-b, dioda D2 i obciążenie
tworzą dru­gi prostownik jednopołówko­wy, zasi­la­ny napięciem zmiennym
. Względem punktu odniesienia b (masy układu) na­pię­cie
ma przeciwną biegunowość niż
(jest przesunięte w fazie o
względem napięcia
). 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
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
przewodzi dioda D2. W obu półokresach prąd przez
płynie w tym samym kierunku. Prąd obciążenia
a napięcie na obciążeniu ma wartość
.

Przy pominięciu spadków napięcia na diodach wartość średnia (składowa stała) napięcia
wynosi:

. (1.2)

Współczynnik tętnień w układzie ma wartość t = 0,482. Przy prostowaniu dwupołówkowym uzyskuje się, jak widać, większą składową stałą i mniejsze tętnienia niż w układzie prostownika jednopołów­kowego.

Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym muszą wytrzymywać przepływ prądu ano­dowego o wartości maksymalnej

Rys.1.4. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku dwu­połówkowym z podwójnym uzwojeniem wtórnym transformatora.

(takiej samej jak w układzie jednopołówkowym), przepływ średniego prądu wyprostowanego

o wartości dwa razy mniejszej niż w układzie jednopołówkowym (na całkowity prąd obciążenia składa się tutaj prąd dwóch diod) oraz wytrzymywać napięcie wsteczne o wartości równej dwóm amplitudom zmiennego napięcia zasilającego:

.

Tak duża wartość napięcia wstecznego, dwa razy większa niż w układzie jednopołówkowym,. wyni­ka z występowania na anodzie diody napięcia ujemnego o wartości
w chwili, gdy do katody diody doprowadzane jest przez drugą, przewodząca diodę, napięcie dodatnie o wartości prawie równej
.

Rys.1.5. Schemat prostownika dwupołówkowego most­kowego.

Na Rys.1.5 przedstawiono schemat prostownika dwupołówkowego mostkowego z pojedyn­czym uzwojeniem wtórnym transformatora. Do końcówek a-b tego uzwojenie dołączony jest układ mostkowy, złożony z czterech diod D1...D4. Do drugiej przekątnej most­ka dołą­czo­­ne jest obciążenie
.

Rys.1.6. Drogi przepływu prądu w dodatnim (a) i ujem­nym (b) półokresie napięcia zmiennego u.

Uzwoje­nie wtórne transforma­tora dostar­cza napięcie zmienne u o prze­bie­gu sinusoidalnym, określonym równaniem (1.1). W półokresie na­pię­­cia u, w którym potencjał punktu a jest dodatni względem punktu b (Rys.1.6.a), dio­dy D1 i D3 polary­zo­wane są w kie­runku przewodzenia a diody D2 i D4 w kierunku za­po­rowym. Płynie wów­czas prąd
o kształcie połówki sinusoidy od punktu a poprzez diodę D1, obciążenie
, diodę D3 do punktu b. W drugim półokresie na­pię­­cia u, w którym potencjał punktu a jest ujemny względem punktu b (Rys.1.6.b), dio­dy D1 i D3 polary­zowane są w kie­runku zaporowym a diody D2 i D4 w kierunku prze­wodzenia. Płynie przy tym prąd
o kształcie połówki sinu­soidy od punktu b poprzez diodę D2, obciążenie
, diodę D4 do punktu a. W obu półokre­sach przez
pły­nie w tym samym kierunku prąd
. Napięcie
ma taki sam przebieg, war­tość średnią i współ­czynnik tętnień jak w prostow­niku dwupołówkowym z dwoma uz­wo­je­niami wtórnymi trans­formatora.

Przebiegi napięć i prądów w uk­ła­­dzie zamieszczono na Rys.1.7. War­tości szczytowe
,
,
i
są nieco mniejsze niż w układzie z podwójnym uzwojeniem wtórnym trans­for­ma­to­ra gdyż napięcie
jest mniejsze od napięcia u o spadek napięcia nie na jednej lecz na dwóch diodach (
). Maksymalne napięcie wsteczne diod jest dwa razy mniejsze niż w układzie z podwójnym uzwojeniem wtórnym trans­for­ma­to­ra i równa się w przybliżeniu amplitudzie napięcia zmiennego
. Całe napięcie zmienne odkłada się na dwóch przewodzących dio­dach i obciążeniu
i w przybliżeniu to samo napięcie występuje na diodach nie przewodzących (Rys.1.6).

Rys.1.7. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku dwu­połówkowym mostkowym.

Prostownik dwupołówkowy mostkowy umożliwia znacznie lepsze wykorzystanie transfor­ma­to­ra niż 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 różnych kierunkach tak, że 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 użycia dwa razy większej liczby diod, prostownik dwupołówkowy mostkowy jest chętniej stosowany niż układ z podwójnym uzwojeniem wtórnym transformatora. Budowę takich układów ułatwiają scalone mostki prostownicze, zawierające odpo­wied­nio połączone cztery diody o maksymalnej dopuszczalnej war­tości średniej prądu wyprosto­wa­ne­go
od 1 do 5 A.

1. Prostownik z filtrem pojemnościowym ( z kondensatorem zbior­czym).

Znaczne zmniejszenie tętnień w układzie prostowniczym uzyskuje się przez włączenie między prostownik a obciążenie filtru wygładzającego napięcie. W filtrach takich stosuje się elementy zdolne do magazynowania energii elektrycznej (kondensatory) lub magnetycznej (cewki indukcyjne - dławi­ki).

Rys.1.8. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku jednopołówkowym z filtrem pojemnościowym

(z kondensatorem zbiorczym)

Rys.1.9. Schemat prostownika jedno­połówkowego z filtrem pojemnościowym (kondensatorem zbiorczym)

Najprostszy filtr, tzw. filtr pojem­noś­­ciowy, (Rys.1.9) tworzy się przez dołą­czenie kondensatora równo­legle do wyjś­­­cia prostow­nika (równolegle do ob­cią­żenia). Zmienia to przebiegi napięć i prądów w układzie (Rys.1.8). W dodat­nim półokresie napięcia zmiennego u, w chwili
napięcie u, dopro­wadzone do anody diody staje się większe od napięcia
występującego na obciążeniu
, kon­densatorze C i katodzie diody. Dioda prze­wodzi wówczas prąd, płynący przez konden­sa­tor C i obciążenie
. Powo­du­je to ładowanie kondensatora do napięcia u ze stałą czasową określoną przez po­jem­ność C i niewielką rezystancję szere­go­wą przewodzącej diody. Ze względu na bezwładność procesu ładowania napięcie na kondensa­to­rze narasta wolniej niż na­pię­cie u. Po osiągnięciu maksymalnej war­tości
napięcie u zaczyna maleć. Zmniej­sza się również napięcie na kon­den­sa­torze lecz wolniej niż napięcie u. W chwili
napięcie u na anodzie diody staje się mniejsze od napięcia na konden­sa­torze i katodzie diody i dioda przestaje przewodzić. Kondensator utrzymuje w dalszym ciągu dużą wartość napięcia
, która powoli maleje wykładniczo w wyni­ku rozładowywania kondensatora przez obciążenie
ze stosunkowo dużą stałą czasową, równą
. W kolejnym dodatnim półokresie napięcia u, napięcie na anodzie diody staje się zno­wu większe od napięcia
na kato­dzie i kondensator C jest ponownie łado­wany prądem prze­pły­wającym przez diodę. Napięcie
na obciążeniu i konden­sa­to­rze C wykazuje nie­wielkie wahania (tętnie­nia), znacznie mniej­sze niż w układzie pros­to­w­niczym bez filtru (kon­densatora). Wartość średnia
tego napięcia jest duża, o wartości zbli­­żo­nej do
.

Prąd diody płynie tylko przez część do­datniego półokresu napięcia u, w czasie od
do
. Prąd ten musi dostarczyć do kondensatora ładunek, wystarczający na pokrycie ciągłego przepływu przez obciążenie prądu
o wartości
a wartość średnia prądu diody
jest równa wartości średniej prądu obciążenia
. Impulsy prądu diody mają w związku z tym dużą amplitudę, znacznie większą od
. W przykładowych przebiegach z Rys.1.8 maksymalny prąd diody:
.

Rys.1.10. Przebieg napięcia
i prądu
po włączeniu napięcia u w chwili t = 0;

gdyby w chwili włączenia (t = 0) u =
, pierwszy impuls prądu miałby wielokrotnie większą amplitudę.

Znaczna część napięcia zmiennego u odkłada się na diodzie jako napięcie wsteczne. W chwili gdy na anodzie diody występuje mini­mal­ne napięcie o wartości
, na katodzie diody kondensator utrzy­muje napięcie
. Maksy­mal­­na war­tość napięcia wstecznego jest bliska
.

Dioda, pracująca w układzie pros­tow­nika z filtrem pojemnościowym musi wytrzy­mywać napięcie wsteczne o wartości
i przepływ prą­du o wartości średniej:

Rys.1.11. Schemat prostownika dwupołówkowego z filtrem pojemnościowym (z kondensatorem zbiorczym)

Rys.1.12. Przebiegi napięć i prądów w pros­to­w­niku dwupołówkowym z filtrem pojem­noś­ciowym (z kondensatorem zbiorczym)

oraz dużo większej wartości maksymalnej. Impuls prądu o szczególnie dużej 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
(Rys.1.10). War­tość prą­du szyb­ko maleje w wyniku łado­wania kondensatora i wzros­tu na­pięcia
. Szybkość ładowania kon­densatora i malenia prądu diody zależy od pojemności kondensatora. Producenci diod podają w danych katalogowych maksymalną pojem­ność konden­satora, dopuszczalną dla danego typu diody.

Jeszcze lepszą stałość napięcia
(i w re­­zul­tacie mniej­sze tętnienia) uzyskuje się w pros­towniku dwupo­łów­ko­wym z filtrem pojem­noś­­cio­wym (Rys.1.11). Kondensator jest ła­do­wany dwa razy częściej, w każdej po­łówce okresu (Rys.1.12), dzięki czemu w przer­wach mię­dzy ładowa­niem spadek napięcia na kondensa­to­rze jest mniejszy. Prąd diody ma mniej­szą wartość maksymalną
niż w pros­to­w­­­ni­ku jednopołówkowym, gdyż ładunek, wy­magany do przepływu przez obciążenie określonej wart­ości średniej prądu
dos­tar­czany jest przez dwa im­pul­sy prądu dwóch diod.

Prostowniki z filtrem pojemnościowym umoż­­liwiają uzyskanie prawie stałego napięcia
, o małych tętnieniach, przy od­powiednio du­żej stałej czasowej
. Z tego względu pros­towniki takie są powszech­nie stosowane do zasilania urządzeń o niezbyt małych wartościach
, a zatem urządzeń o niezbyt dużym poborze prądu i mocy.

Rys.1.13. Prostownik z kondensatorem zbiorczym i dodatkowym filtrem LC lub RC (z filtrem typu
).

Dalsze zmniejszenie tętnień uzyskać można przez zastosowanie dodatkowych filtrów wygła­dza­ją­cych LC lub RC (Rys.1.13). (Razem z kondensatorem zbiorczym filtr taki nazywa się także filtrem typu
.) Element szeregowy filtru (L lub R) tworzy wraz z obciążeniem
dzielnik napięcia, niewiele tłumiący składową stałą. Tłumienie składowej zmiennej (tętnień) jest natomiast znacznie sil­niejsze ze względu na małą dla tej składowej impedancję kondensatora C2:

Rys.1.14. Przebiegi napięcia wyjściowego w prostowniku z filtrem pojemnościowym przy dużym i małym

i dużą impedancję cewki
.

Zastosowanie filtrów, zwłaszcza RC, ograniczone jest do przypadków niezbyt dużego poboru prądu przez obciążenie, przy którym nie występuje zbyt duży spadek napięcia stałego na elemencie szeregowym filtru.

W prostownikach z kondensatorem zbiorczym (z filtrem pojemnościowym lub typu
) tętnienia rosną wraz ze zmniej­sza­niem rezystancji obciążenia
, a za­tem ze wzrostem poboru prądu i mocy przez obcią­żenie (Rys.1.14). Z tego powo­du prostowniki takie nie nadają się do zasilania urządzeń dużej mocy. Stosowane są wówczas inne układy, omówione w następnych punktach.

1. Prostownik z filtrem indukcyjnym.

Rys.1.15. Schemat prostownika jednopołówkowego z filtrem indukcyjnym

Rys.1.16. Przebieg prądu
w prostowniku jednopołówkowym z filtrem indukcyjnym.

Filtr indukcyjny tworzy cewka włączona szeregowo z obciążeniem (Rys.1.15). Używana w tym celu cewka, z reguły z rdzeniem magnetycznym i o dużej indukcyjności, nazywana jest dławikiem. Cewka gromadzi w polu magne­tycz­nym energię, proporcjonalną do kwa­d­ratu przepływającego przez nią prą­du i przeciwdziała zmianom prądu (opóź­nia te zmiany ze stałą czasową
). W dodatniej połówce okresu na­pięcia u (Rys.1.16) anoda diody jest polaryzowana dodatnio wzglę­dem katody i w obwodzie płynie prąd
=
, którego zmiany są złago­dzo­ne i opóźnione wzglę­­dem zmian napięcia u. Ponadto powsta­ją­ca w cewce siła elektromo­to­ryczna sa­mo­­in­dukcji powoduje przeciąganie prze­p­ływu prądu przez część ujem­ne­go półokresu napięcia u.

Rys.1.17. Schemat prostownika dwupołówkowego z filtrem indukcyjnym

W układzie prostownika jednopołów­kowego z filtrem indukcyjnym nie uzyskuje się korzystnego przebiegu prądu obciążenia
i napięcia
, prostowniki takie nie są zatem prakt­ycz­nie stosowane. Filtr induk­cyjny zapew­nia natomiast ciągły przepływ prądu przez obciążenie i ma­łe tęt­nienia tego prądu w prostowniku dwu­­po­­łów­ko­wym (Rys.1.17). W dodatniej połówce okresu na­pięcia u (Rys.1.18) prąd
przewodzony jest przez diody D1 i D3. W ujemnej połówce okresu prąd
przewodzony jest przez diody D2 i D4. Co pół okresu następuje szybka zmiana przewodzenia diod (tzw. komutacja). Prąd
waha się wokół wartości średniej
. Wartość śred­­nia
napięcia
zbliżona jest do wartości średniej Uśr przebiegu
, określonej za­leż­­nością (1.2) dla prostownika dwupołówkowego. Wartość
jest mniejsza od Uśr o spadek na­pię­cia na diodach i rezystancji uzwojenia dławi­ka. Przebiegi
i
mają charakter sinusoidalny, o niezbyt dużej amplitudzie i częstotliwości dwa razy większej od częstotliwości przebiegu u.

Przy sinusoidalnym napięciu
przebieg
opisany jest zależnością:

Rys.1.18. Przebiegi napięć i prądów w pros­to­w­niku dwupołówkowym z filtrem indukcyjnym.

gdzie:

Amplituda składowej zmiennej
maleje przy zmniejszaniu wartości
. A zatem w ukła­dzie tym, przeciwnie niż w układzie z filtrem po­jem­­nościowym, tętnienia maleją ze wzrostem prą­du obciążenia. Wynika to z magazynowania w indukcyjności energii, proporcjonalnej do kwadratu prądu; im większy prąd, tym większa energia magazynowana i tym skuteczniejsze dzia­­łanie dławika.

Tętnienia można zmniejszyć, dołączając dodatkowy kondensator równolegle do obciążenia
. Tworzy się wówczas filtr LC o schemacie jak na Rys.1.13 z pominiętym kondensatorem C1. Przy małej wartości
może być jednakże trudne uzykanie kondensatora C o admitancji
co naj­mniej kilkakrotnie mniejszej od rezystancji
.

Prostowniki dwupołówkowe z filtrem indukcyjnym używane są w przypadku dużych prądów i małych rezystancji obciążenia
, 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 dużej indukcyjności L (a zatem o dużej liczbie zwojów), zdolnego do przewodzenia znacznej składowej stałej prądu bez nadmiernego spadku napięcia (co wymaga drutu o dużym 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 dużej wartości szczytowej, jak w prostowniku z filtrem pojemnościowym, gdyż indukcyjność nie dopuszcza do gwałtownych zmian prą­du.

1. Prostowniki wielofazowe.

Ze względu na dopuszczalną obciążalność sieci elektroenergetycz­nej, do zasilania prądem stałym urządzeń elekt­rycz­nych dużej mocy (rzędu kilku kW i więcej) stosuje się prostowniki, zasilane z sieci trójfa­zowej 3x220V / 3x380V.

Schemat prostownika trójfazo­wego jednopołówkowego przed­sta­wiono na Rys.1.19. Transfor­mator TR dostarcza trzy napięcia sinusoi­dalne
,
i
, przesunięte wzglę­dem siebie w fazie o
(Rys.1.20). Każde z tych napięć doprowadzone jest poprzez diodę (D1, D2 lub D3) do ob­ciążenia
. Drugi koniec obciążenia dołączony jest do punktu zerowego (masy) układu. Jedno z napięć
,
lub
ma w określonych przedziałach czasowych wartość dodatnią, większą od dwóch pozostałych. Dioda zasilana takim napięciem jest polaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi prąd
,
lub
, przepływający przez obciążenie. Pozostałe dwie diody, dołączone do napięć o mniejszych wartościach są w tym czasie zablokowane. Prąd obciążenia
jest sumą prądów
,
i
. W chwilach zrównania się do­datnich wartości napięć są­sied­nich faz następuje szybkie przełączenie diod (tzw. komu­tacja). Przebieg napięcia
jest zbliżony do ob­wiedni dodatnich połówek napięć
,
i
(mniejszy od nich o spadek napięcia na diodzie).

Rys.1.19. Schemat prostownika trójfazowego jed­nopołówkowego.

Wartość średnia (składowa stała) napięcia na obciążeniu ma war­tość:

,

a ws­­pó­ł­­­czynnik tętnień wynosi:

t = 0,177 (17,7 %).

Rys.1.20. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku trójfa­zowym jednopołówkowym.

Maksymalna wartość prą­du diody jest równa:

;

średnia war­tość prądu przew­o­dzenia:

,

a maksymalna wartość napięcia wstecznego diody wynosi:

;

.

Schemat prostownika trój­fazo­wego dwupołówkowego po­ka­zano na Rys.1.21. Trzy diody D1, D2 i D3, przewodzące w kie­runku do obciążenia, łączą jed­ną końcówkę obciążenia
z trzema przesuniętymi wzglę­dem siebie w fazie o
napię­ciami
,
i
. Dru­ga koń­ców­ka
połączona jest także z napię­ciami
,
i
przez trzy diody D4, D5 i D6, przewodzące w kierunku od obciążenia. W układzie przewodzi zawsze jedna z diod D1, D2 lub D3, dołączona do tego napięcia
,
lub
, które ma aktualnie większą od pozostałych wartość dodatnią i jedna z diod D4, D5 lub D6, dołączona do tego napięcia
,
lub
, które ma aktualnie mniejszą od pozostałych wartość ujemną. W każdej chwili czasowej płynie jeden z prądów
,
lub
, prąd ob­ciążenia
i jeden z prądów
,
lub
. W chwilach zrównania się war­­tości napięć ujemnych lub dodatnich połówek są­sied­nich faz następuje zmiana przewodzenia diod i przełączenie (komu­tacja) prądów (Rys.1.22.).

Rys.1.21. Schemat prostownika trójfazowego dwupołówkowego.

Rys.1.22. Przebiegi napięć i prądów w prostowniku trójfa­zowym dwupołówkowym.

Do obcią­że­nia
dopro­wa­dzo­ne jest pop­rzez dwie prze­wodzące diody napięcie
, równe różnicy między na­pię­ciem (
,
lub
) o wartości dodatniej, zbli­żonej do
a napięciem (
,
lub
) o war­tości ujemnej, zbliżonej do
. War­tość śred­­nia tego napięcia jest rów­na:

.

Napięcie
jest prawie stałe a współczynnik tęt­nień ma małą wartość t = 0,04 (4%)! Mak­symalna wartość prą­du dio­dy jest równa:

;

śred­nia war­tość prądu prze­wo­dzenia wynosi:

,

a maksymalna wartość napię­cia wstecznego diody jest taka sama jak w układzie pros­tow­nika trójfa­zowego jed­­­no­po­łów­kowego.

Prostownik z Rys.1.21 zapewnia uzyskanie nie­wiel­kich tętnień bez jakich­kolwiek elementów filtrują­cych. Moż­na go wykorzys­tać do zasilania urządzeń o niezbyt dużej mocy w przy­padku trud­ności z uzyska­niem małych tętnień w ukła­dach prostowników jednofazowych z filtrem pojemnoś­ciowym lub indukcyjnym.

1. Zależność napięcia wyjściowego prostownika od napięcia sieci i prądu obciążenia; 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
ulega także zmianom.

Ponadto
maleje przy wzroście prądu obciążenia
. 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.

Przykładową zależność napięcia
od napięcia sieci i prądu obciążenia przedstawiono na Rys.1. 23.

Rys.1.23. Zależność napięcia wyjściowego prostownika od napięcia sieci i prądu obciążenia.

Rys.1.24. Schemat zastępczy prostownika

Prostownik można uważać za źródło napięcia (Rys.1.24) o sile elektromotorycznej proporcjonalnej do napięcia sieci:
i określonej, różnej od zera rezystancji wewnętrznej:

W wielu przypadkach zależność napięcia
od napięcia
i prądu
jest niepożądana. W celu zmniejszenia tej zależ­ności stosowane są stabilizatory napięcia.

1. Stabilizatory napięcia.

Stabilizator napięcia włącza się między wyjście prostownika a obciążenie. Napięciem wejś­cio­wym stabilizatora jest napięcie wyjściowe prostownika.

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest stabilizator z diodą Zenera o schemacie przed­stawionym na Rys.1.25. Do napięcia wejściowego
dołączona jest poprzez rezystor
dioda Ze­nera
. Dodatni biegun napięcia dołączony jest do katody diody, ujemny - do anody. Dioda po­laryzowana jest w kierunku zaporowym. Przy przepływie przez diodę odpowiednio dużego prądu anodowego (od wartości ok.
do wartości ok.
, Rys.1.26) na zaciskach diody występuje niewiele zmieniające się (stabilizowane) napięcie
=
. Napięcie to jest napięciem wyjściowym stabilizatora. Równolegle do dio­dy dołączone jest obciążenie
.

Rys.1.25. Schemat stabilizatora napięcia z dio­dą Zenera.

Napięcie wejściowe
musi być więk­sze od napięcia wyjściowego
(najczęściej
. Przez rezystor
płynie prąd:

Rys.1.26. Charakterystyka
diody Zenera.

a przez obciążenie
prąd:

.

Przez diodę przepływa prąd
. Gdy zmienia się
lub
, zmienia się wartość
, lecz dzięki właści­wościom diody Zenera napięcie
pozostaje prawie stałe, jeżeli wartość
utrzymuje się w odpowiednich granicach. Prąd
nie może być zbyt mały, gdyż powodowałoby to wejście w niekorzystny początkowy zakres charakterystyki zaporowej
diody. Prąd
nie może być większy od wartości określonej przez dopuszczalną moc traconą w diodzie:

Właściwe warunki pracy diody zapewnia się przez dobór war­tości
i
przy danych wartościach
i
.

Wartość napięcia
zależy od typu diody Zenera. Produkowane są diody o nominalnym napięciu stabilizowanym od 3,3V do 27V, różnicowanym co 5%. Dopuszczalna moc tracona w dio­dzie
ma wartość od 0,25W do kilku - kilkudziesięciu W.

W typowych stabilizatorach z diodą Zenera uzyskuje się stałość napięcia
rzędu 1...2%. Specjalne stabilizatory z odpowiednio dobranymi diodami Zenera i małej mocy wyjściowej stosowane są jako wzorce napięcia o bardzo dużej stałości
.

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
odpowiednio (1,5 do 2 razy) większe od napięcia wyjściowego
. Napięcie wyjściowe pobierane jest z emitera tranzystora T1, którego kolektor dołączony jest do napięcia wejściowego
. Baza T1 sterowana jest napięciem
wzmacniacza z tranzystorem T3 poprzez pośredniczący (dodatkowo wzmacniający prąd) tranzystor T2. Do emitera T3 doprowadzone jest napięcie odniesienia
, uzyskiwane ze stabilizatora napięcia, złożonego z diody Zenera
i rezystora
. Do bazy T3 doprowadzona jest próbka napięcia wyjściowego
, dostarczana przez dzielnik napięcia złożony z rezystorów
i
. Napięcie bazy T3 ma wartość:

Rys.1.27. Schemat stabilizatora napięcia z automatyczną regulacją napięcia wyjściowego.

(1.3)

(jeżeli prąd
jest mały w porównaniu z prądem, płyną­cym przez rezystory
i
). Tranzystor T3 sterowa­ny jest napięciem baza - emiter:

(1.4)

które jest różnicą między próbką napięcia wyjściowego
i napięciem odniesienia
. W wyniku działania na­pię­cia
tranzystor T3 prze­wodzi prąd kolektora
. Prąd ten przepływa przez re­zystor
, wytwarzając na nim spadek napięcia o war­tości
i ustalając napię­cie
na kolektorze tranzystora T3:

Prąd
i napięcie
przyjmują takie wartości, przy których spełniona jest zależność:

(1.5)

gdzie
i
oznacza spadek napięcia (rzędu 0,6...0,8V) na złączach baza - emiter przewo­dzących tranzystorów T2 i T1. Napięcie
ma wartość określoną zależnościami (1.5) i (1.Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.):

W układzie stosuje się rezystory
i
oraz napięcie
o dużej dokładności i stałości. Warunki pracy układu dobiera się tak, aby zmiany wartości
i
w niewielkim stopniu wpływały na zmiany wartości
.

Układ dąży do utrzymania stałego napięcia
. Jeśli z jakichkolwiek przyczyn
rośnie, zwiększa się wysterowanie tranzystora T3 i prąd
. Zwiększa się przez to spadek napięcia
, zmniejsza napięcie
i zmniejsza napięcie
. Można to zapisać jako:

,
,
,
i

Podobnie przy zmniejszeniu
:

,
,
,
i

co zapobiega zmianom
.

Napięcie
może być stabilizowane z dokładnością 0,1... 0,001% przy
do kilkudzie­się­ciu woltów i prądzie obciążenia
do kilku - kilkudziesięciu amperów.

Tranzystor T5 z umieszczonym między bazą i emiterem rezystorem
ogranicza maksymalną wartość prądu obciążenia
. Przez
przepływa prąd
i wytwarza napięcie
, pola­ryzujące złącze emiter - baza 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
i powoduje zmniejszenie napięcia
. Zmniejsza to napięcie
, określone zależnością (1.5) i zm­niejsza prąd
.
nie może przekroczyć wartości, przy której
. Zabez­piecza to elementy układu, a w szczególności tranzystor T1 przed zniszczeniem w wyniku przepływu zbyt dużego prądu
np. w przypadku zwarcia zacisków wyjściowych stabilizatora. Charakterystykę
stabilizatora przedstawiono na Rys.1.28.

W normalnych warunkach pracy w tranzystorze T1 wydzielana jest moc o wartości
. W przypadku zwarcia zacisków wyjściowych stabilizatora moc ta rośnie do znacznie większej wartości
. Aby uniknąć zwiększonego wydzielania mocy poza normalnym zakresem pracy, stosuje się bardziej złożone ograniczniki prądu wyjściowego stabilizatora, zmniejszające prąd zwarcia znacznie poniżej wartości
(Rys.1.29).

Rys.1.28. Charakterystyka
stabilizatora napięcia z prostym ogranicznikem prądu.

Rys.1.29. Charakterystyka
stabilizatora napięcia z ogranicznikem prądu zmniejszającym prąd zwarciowy.

Stabilizatory napięcia z automatyczną regulacją napięcia wyjściowego produkowane są w postaci układów scalonych.

Oprócz stabilizatorów napięcia stosowane są także stabilizatory prądu o
.

Układy prostownicze (prostowniki)

17

---