Impedancja, moduł impedancji, opór całkowity, zawada, zawadność[1] (ozn. Z) - wielkość opisująca elementy w obwodach prądu przemiennego.

Impedancja jest rozszerzeniem pojęcia rezystancja z obwodów elektrycznych prądu stałego, umożliwia rozszerzenie prawa Ohma na obwody prądu przemiennego

W naukach technicznych, np. w elektronice, na oznaczenie jednostki urojonej używa się zazwyczaj nie litery i, jak w matematyce, ale j - w celu uniknięcia niejednoznaczności, wynikających z oznaczania natężenia prądu literą i.

Zapis zespolony wiąże się ściśle z teorią wskazów wirujących, która pozwala znacznie uprościć obliczenia przy projektowaniu układów skupionych, liniowych, stacjonarnych (SLS) przy pobudzeniu prądem przemiennym o jednej częstotliwości. Wszystkie napięcia i prądy przedstawiane są w tej teorii jako wartości zespolone, ale nie zawierające bezpośrednio czynników harmonicznych, co pozwala na łatwiejsze nimi operowanie.

Pojęcie impedancji wprowadza się także dla układów rozproszonych - wówczas impedancja jest funkcją przestrzeni . Takie pojęcie impedancji wykorzystuje się w układach bardzo wysokiej częstotliwości (układy mikrofalowe), takich jak telefony komórkowe czy nowoczesne procesory.

W zależności od znaku reaktancji X mówi się o impedancji o charakterze pojemnościowym (X < 0) lub indukcyjnym (X > 0).

Wartość skuteczna prądu przemiennego jest taką wartością prądu stałego, która w ciągu czasu równego okresowi prądu przemiennego spowoduje ten sam efekt cieplny, co dany sygnał prądu przemiennego (zmiennego).

Reaktancja (opór bierny, sprzeciwność[1]) to wielkość charakteryzująca obwód elektryczny zawierający kondensator (pojemność) lub cewkę (indukcyjność). Jednostką reaktancji jest om.

Reaktancję oznacza się na ogół symbolem X.

Gdy przez cewkę lub kondensator płynie prąd przemienny, wtedy część energii magazynowana jest w polu, odpowiednio magnetycznym lub elektrycznym. Wywołuje to spadek napięcia wprost proporcjonalny do iloczynu prądu i reaktancji. W przypadku obwodów prądu stałego nie mówi się o reaktancji, bowiem (pomijając stan nieustalony) cewka stanowi zwarcie, zaś kondensator przerwę w obwodzie.

Reaktancja idealnej cewki i kondensatora jest równa co do wartości bezwzględnej ich impedancji. Napięcie i prąd w takich elementach są przesunięte w fazie o 90 stopni względem siebie. Znak liczby zależy od tego, czy prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza w fazie prąd.

Reaktancja cewki (opór indukcyjny, induktancja) ma znak dodatni i oblicza się ją ze wzoru:

Reaktancja kondensatora (opór pojemnościowy, kapacytancja) oblicza się ją ze wzoru:

We wzorze na reaktancję składowa indukcyjna występuje ze znakiem dodatnim, a pojemnościowa - z ujemnym:

Obwód rezonansowy jest obwodem elektrycznym, składającym się z kondensatora i cewki. W obwodzie tym zachodzi rezonans prądów (w równoległym) lub napięć (w szeregowym). Rezonans następuje wtedy gdy reaktancje cewki XL i kondensatora XC są równe.

Warunek rezonansu: XL = XC

Rysunek po prawej stronie pokazuje schemat obwodów rezonansowych: szeregowego i równoległego. Kondensator i cewka są biernymi elementami elektrycznymi, które charakteryzują się między innymi opornością zależną od częstotliwości i przesunięciem fazowym pomiędzy napięciem i prądem równym 90°, z tym, że dla cewki impedancja rośnie ze wzrostem częstotliwości, a dla kondensatora maleje, oraz przeciwnym znakiem przesunięcia fazy.

Gdy cewka i kondensator połączone są szeregowo i zasilane prądem przemiennym I, to elementach tych występuje spadek napięcia - UC na kondensatorze, a UL na cewce. Ponieważ kierunki przesunięcia faz napięcia względem prądu są przeciwne, to napięcia te znoszą się wzajemnie. Dla pewnej określonej częstotliwości, gdy napięcie na cewce zrówna się z napięciem na kondensatorze to napięcia te zniosą się zupełnie - zachodzi dla tej częstotliwości rezonans napięć. Obwód rezonansowy ma dla tej częstotliwości zerową oporność, gdyż dla każdej wartości natężenia prądu I' napięcie U jest równe 0 (Napięcie na cewce i na kondensatorze są różne od zera i mogą osiągać bardzo duże wartości).

Dla obwodu rezonansowego równoległego zachodzi rezonans prądów. Gdy układ taki zasilany jest napięciem zmiennym U, to popłyną przez elementy prądy: IC przez kondensator, a IL przez cewkę. Ponieważ prądy te mają przeciwne fazy to znoszą się wzajemnie i sumaryczny prąd I jest mniejszy od sumy prądów IC i IL. Dla pewnej częstotliwości, gdy prąd cewki równa się prądowi kondensatora prądy te zniosą się zupełnie i prąd I będzie równy zeru - zachodzi rezonans prądów, a obwód rezonansowy przestaje pobierać prąd ze źródła - staje się przerwą w obwodzie, czyli ma nieskończenie dużą oporność (prądy w kondensatorze i cewce nie są jednak równe zeru i mogą osiągać duże wartości).

Częstotliwość rezonansową obwodu LC określa wzór Thomsona:

Zastosowanie prostowników [edytuj]

Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w elektrowozach), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów). Prostownikiem jest również detektor diodowy wykorzystywany do detekcji sygnału radiowego zmodulowanego AM lub FM.

Nazwa prostownik jest używana również w języku potocznym jako określenie ładowarki akumulatorów samochodowych. (Technicznie nie jest to jednak określenie poprawne, ponieważ ładowarki takie składają się z: transformatora, prostownika właściwego (często sterowanego - zobacz poniżej), układu regulującego, itd.)

Rozwiązania konstrukcyjne [edytuj]

Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych, niemniej jednak stosuje się (lub stosowano) również następujące rozwiązania:

układy elektrochemiczne, w których na jednej z elektrod zanurzonych w elektrolicie wytwarzała się warstwa zaporowa, blokująca przepływ prądu w jednym kierunku (przykładowy układ ołów-elektrolit alkaliczny-glin, niob lub tantal)

prostownicze diody próżniowe (popularnie zwane lampami), w których przy spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia elektrony emitowane przez podgrzewaną elektrycznie katodę przemieszczają się do spolaryzowanej dodatnio anody, a w przypadku odwrócenia polaryzacji blokują przepływ prądu (obecnie bardzo rzadko stosowany z uwagi na kłopoty z doprowadzeniem żarzenia)

układy metal-półprzewodnik stosowane powszechnie przed opracowaniem technologii diod półprzewodnikowych. Stosowane najczęściej zestawy to prostownik kuprytowy (miedź-tlenek miedzi) oraz prostownik selenowy (metal-selen)

ignitrony - prostowniki rtęciowe wykorzystujące zjonizowane pary rtęci, stosowane powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach trakcyjnych itp.

Jednopołówkowe (półokresowe) [edytuj]

Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.

Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w zasilaczach impulsowych małych mocy.

Prostownik jednopołówkowy (kolorami oznaczono:źródło napięcia przemiennego, dioda prostownicza, odbiornik0

Dwupołówkowe (całookresowe) [edytuj]

Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego. Istnieje również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania - uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym.

Czterodiodowy prostownik dwupołówkowy (mostek Graetza)

Obecnie jednym z najczęściej stosowanych prostowników jednofazowych jest mostek Graetza. Proces prostowania napięcia przebiega w dwóch etapach. W pierwszej połówce okresu przewodzą tylko dwie diody tak jak to pokazano na rysunku obok (pozostałe dwie diody są spolaryzowane zaporowo). W drugiej połówce okresu sytuacja ulega odwróceniu - przewodzą dwie pozostałe diody . Napięcie wejściowe jest napięciem przemiennym czyli zmienia swój kierunek na dodatni i ujemny, natomiast układ mostka jest tak skonstruowany, że napięcie wyjściowe jest jednokierunkowe - płynie tylko w kierunku dodatnim (patrz również rysunek powyżej). Pomimo faktu, że napięcie wyjściowe prostownika jest jednokierukowe to jednak nie jest ono napięciem stałym i wykazuje znaczne tętnienie - dlatego też prostowniki najczęściej stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi wygładzającymi przebieg.

Prostowniki trójfazowe [edytuj]

Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe.

Jednopołówkowe [edytuj]

Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu zerowego).

Trójdiodowy prostownik jednopołówkowy

Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego

Dwupołówkowe

Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego - zobacz poniżej opis prostowników sterowanych.

UKŁADY ZASILAJĄCE

Większość układów elektronicznych, dla właściwego spełnienia funkcji, wymaga zasilania. Najdogodniejsze jest zasilanie wprost z sieci elektroenergetycznej, bezpośrednio lub za pośrednictwem transformatora. Znaczna część urządzeń wymaga zasilania napięciem stałym, dlatego też stosujemy zasilacze napięcia (prądu) stałego. Napięcie stałe jest wytwarzane przez układ elektroniczny zwany zasilaczem. Zasilacz przetwarza napięcie przemienne sieci zasilającej na napięcie stałe o ustabilizowanej wartości.

Schemat funkcjonalny prostego zasilacza przedstawiono na rysunku 13.1. Układ taki składa się z: transformatora sieciowego, prostownika i filtru. Transformator sieciowy obniża znacznie napięcie zmienne podawane na prostownik. Prostownik zmienia prąd zmienny na prąd jednokierunkowy. W prostowniku wykorzystuje się elementy elektronowe, charakteryzujące się jednokierunkowym przewodzeniem prądu. Są to najczęściej diody lub tyrystory.

Dzięki temu napięcie przemienne jest przetwarzane na napięcie tętniące o składowej stałej różnej się od zera. Po odfiltrowaniu tętnień przez filtr uzyskuje się w odbiorniku żądaną wartość napięcia i prądu stałego. Często stosuje się również układy zabezpieczające elementy prostownicze przed przeciążeniami i przepięciami. W zasilaczach stabilizowanych pomiędzy filtrem a odbiornikiem znajduje się stabilizator napięcia lub prądu stałego. Zakres mocy zasilaczy napięcia stałego jest bardzo szeroki - od kilku watów do kilkuset kilowatów.

Filtr przepuszcza na wyjście składową stałą pulsującego prądu jednokierunkowego i tłumi składową zmienną. Najczęściej jest to filtr RC zbudowany z kondensatora o dużej pojemności dołączonego równolegle do rezystancji obciążającej prostownik. Wartość pojemności tego kondensatora należy tym większą, im większa jest przewidywana wartość prądu obciążenia. Kondensator wraz z rezystancją układu prostownika i rezystancją wejściową obciążenia stanowi filtr, zwykle dostatecznie tłumiący tętnienia napięcia wyjściowego. Zmniejszenie tętnień napięcia uzyskuje się w stabilizatorze.

13.1. PROSTOWNIKI

Prostownik stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do układów przekształcających prąd zmienny w prąd stały.

W zależności od struktury i liczby faz zasilającego napięcia przemiennego, prostowniki dzielimy na:

- jednofazowe;

- wielofazowe (np. trójfazowe).

Jeśli napięcie podlega prostowaniu w czasie jednego tylko półokresu każdej z faz, to taki prostownik nazywamy jednopołówkowym (półfalowym). Jeżeli natomiast napięcie jest prostowane w czasie obu półokresów, to taki prostownik nazywamy dwupołówkowym (całofalowym).

Biorąc pod uwagę charakter obciążenia, rozróżnia się prostowniki:

- z obciążeniem rezystancyjnym;

- z obciążeniem pojemnościowym;

- z obciążeniem indukcyjnym.

Wielkości charakteryzujące prostownik:

- sprawność napięciowa hu - stosunek napięcia wyjściowego do napięcia na wejściu prostownika;

- sprawność energetyczna hp - stosunek mocy wydzielanej w obciążeniu do mocy źródła;

- współczynnik tętnień kt - stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej napięcia wyjściowego do wartości składowej stałej napięcia na wyjściu prostownika;

- rezystancja wyjściowa;

- współczynniki kształtu: K1 - stosunek wartości składowej stałej napięcia wyjściowego do jego wartości szczytowej, K2 - stosunek wartości skutecznej napięcia wyjściowego do jego wartości szczytowej;

---