Co to jest prostowanie przebiegów elektrycznych?

Jest to proces w wyniku, którego wejściowy przebieg elektryczny przybierające wartości dodatnie i ujemne zostaje przekształcony w przebieg wyjściowy przybierający tylko wartości jednego znaku, tj. tylko dodatnie lub tylko ujemne. Proces prostowania wykorzystuje się m.in. w układach i urządzeniach zasilających (zasilaczach) i demodulatorach.

Prostowanie realizuje się zawsze przy wykorzystaniu elementów wykazujących właściwości jednokierunkowego przewodzenia prądu elektrycznego, tj. elementów nieliniowych. Dzięki takim właściwościom na wyjściu elementu prostującego otrzymuje się prąd tylko jednego znaku.

Do prostowania stosuje się diody półprzewodnikowe i diody próżniowe (kenotrony), diody gazowane (gazotrony), tyratrony, elementy selenowe i krzemowe, tyrystory i inne elementy o właściwościach nieliniowych, zależnie od zastosowania, wartości napięć prostowanych i wartości prądów pobieranych przez obciążenie. W urządzeniach elektronicznych o małej mocy do prostowania najczęściej stosuje się diody półprzewodnikowe.

Prostowanie przebiegu sinusoidalnego. Trzy rodzaje prostowania: a) i c) prostowanie jednopołówkowe; b) prostowanie dwupołówkowe

Co nazywamy prostownikiem?

Nazwę prostownik stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do układów przekształcających prąd zmienny w stały, tj. w odniesieniu do układów, których zadaniem jest zasilanie prądem stałym różnych obwodów, układów i urządzeń lampowych, tranzystorowych lub innych. Prostownikiem nazywa się również sam element o właściwościach jednokierunkowych, stosowany w procesie prostowania.

Wyróżnia się prostowniki:

-   jednopołówkowe,

-   dwupołówkowe,

-   prostowniki w układzie mostkowym.

Prostownik jednopołówkowy  

Prostownikiem jednopołówkowym lub półokresowym nazywamy taki prostownik, w którym po procesie prostowania pozostają tylko te części przebiegu, które są jednego znaku, a części przeciwnego znaku pozostają wyeliminowane.

Dioda jest tak złączona, że przewodzi tylko dla dodatnich połówek przebiegu wejściowego, gdyż tylko wówczas napięcie dodatnie na tej anodzie jest większe niż potencjał katody.

W półokresie ujemnym dioda nie przewodzi i całe napięcie doprowadzone do prostownika występuje na diodzie jako tzw. napięcie wsteczne prostownika. Przy odwróceniu kierunku załączania diody będzie ona przewodzić dla półokresów ujemnych i nie przewodzić dla półokresów dodatnich.

Prostownik dwupołówkowy 

Prostownikiem dwupołówkowym lub pełnookresowym nazywamy taki prostownik, w którym po procesie prostowania pozostają części przebiegu, które są jednego znaku i dodają się do nich - po zmianie znaku - części, które miały znak przeciwny.

W okresach czasu, w których na anodzie diody D1 występuje napięcie dodatnie, na anodzie diody D2 występuje napięcie ujemne i odwrotnie; wynika to z faktu, że środek uzwojenia wtórnego transformatora jest uziemiony, a więc znajduje się on na potencjale zerowym. Przy połówce dodatniej napięcia na uzwojeniu wtórnym mamy sytuację, w której dioda D1 przewodzi a dioda D2 nie przewodzi. Przy połówce ujemnej napięcie dodatnie występuje na diodzie D2, która wówczas przewodzi, nie przewodzi natomiast dioda D1 spolaryzowana wstecznie. Wartość średnia napięcia uzyskanego na wyjściu prostownika dwupołówkowego jest dwukrotnie większa niż napięcie uzyskane na wyjściu prostownika jednopołówkowego.

                                                                                                                                                                 

Prostownik w układzie mostkowym

Prostownik w układzie mostkowym, zwanym również układem Graetza, jest prostownikiem dwupołówkowym z czterema diodami połączonymi w sposób jak na rysunku. Gdy chwilowa biegunowość napięcia na uzwojeniu wtórnym jest taka, jak zaznaczona na rysunku, wówczas przewodzi dioda D1, a nie przewodzi dioda D2. W tym czasie w drugiej gałęzi przewodzi dioda D3, a nie przewodzi dioda D4. W ten sposób dla jednego półokresu napięcia wejściowego prąd płynie drogą następującą: końcówka transformatora będąca na potencjale dodatnim. Jest to w tym czasie prostownik jednopołówkowy z dwiema diodami D3 i D1 połączonymi szeregowo. W następnym półokresie biegunowość napięcia wejściowego ulega zmianie, przewodzą diody D2 i D4., a nie przewodzą D1 i D3. Teraz prąd płynie od górnej końcówki transformatora przez diodę D4, obciążenie i diodę D2 do dolnej końcówki transformatora. Układ pracuje również jako prostownik jednopołówkowy i prąd płynący przez obciążenie ma ten sam kierunek co dla poprzedniego półokresu. Tak więc prąd płynie przez obciążenie dla obu półokresów i w sumie prostownik mostkowy pracuje jako prostownik dwupołówkowy.

   Jaką rolę odgrywają filtry umieszczone na wyjściu prostowników? 

Zadaniem filtru, który umieszcza się na wyjściu układu prostowniczego jest zmniejszenie tętnień w napięciu wyprostowanym. Napięcie wyjściowe prostownika stanowi przebieg jednokierunkowy, którego wartość chwilowa zmienia się w całym przedziale od zera do wartości maksymalnej; takie napięcie ma pewną składową stałą, nie nadaje się np. do polaryzacji transformatorów i lamp ze względu na istnienie niepożądanej składowej zmiennej. Składowa zmienna w napięciu polaryzującym powoduje niestałość punktu pracy i przenika do sygnału pożądanego przenoszonego przez układy zasilane takim niepożądanym przebiegiem. Dzięki zastosowaniu filtru na jego wyjściu uzyskuje się napięcie stałe ze stosunkowo niewielką składową zmienną, której wartość może być na tyle mała, aby można było je wykorzystywać do polaryzacji tranzystorów i lamp, tj. jako napięcie zasilające. Składowa zmienna w napięciu zasilającym musi być wielokrotnie mniejsza niż sygnał pożądany przenoszony przez dany układ. Tak więc w przypadku zasilania napięciem wyprostowanym układów pracujących przy małych sygnałach należy stosować filtry o dużej skuteczności filtracji.

Na wyjściu prostowników stosuje się filtry dolnoprzepustowe przenoszące z małym tłumieniem składową stałą (tj. składową o częstotliwości równej 0Hz) i z dużym tłumieniem składową zmienną (tj. w przypadku prostowników napięcia sieci składową o częstotliwości 50Hz, 100Hz i większych), przy czym tłumienie tętnień jest tym większe, im większa jest częstotliwość składowej zmiennej. W prostownikach sieciowych jednopołówkowych częstotliwość podstawowa tętnień jest równa 50Hz, w dwupołówkowych 100Hz. Wynika z tego, że skuteczniej tłumi się tętnienia powstające na wyjściu prostownika dwupołówkowego. Oprócz częstotliwości podstawowej w przebiegu wyprostowanym istnieje szereg częstotliwości harmonicznych. 

Filtry stosowane na wyjściu prostowników dzielimy zwykle na dwie grupy:

-  filtry z wejściem pojemnościowym,

-      filtry z wejściem indukcyjnym.

Filtrem z wejściem pojemnościowym nazywamy filtr, który na swoim wejściu ma pojemność włączoną równolegle do układu prostownika. Pole obszaru zawartego pod krzywą przebiegu prądu wejściowego musi być równe polu impulsów prądu diody, ponieważ ładunek dostarczony do kondensatora musi być równy ładunkowi oddanemu przez kondensator do obciążenia. przyjmuje się, że dioda lub diody ładują jedynie kondensatory filtrujące, a jedyną funkcją kondensatorów filtrujących jest dostarczenie energii do obciążenia. Przebieg prądu diody ma kszałt bardzo ostrych, krótkotrwałych impulsów. Gdy prąd płynący przez obciążenie ma wartość stałą, a pojemnośc kondensatora filtrującego wzrasta, wtedy szerokość impulsów maleje, a ich wysokość znacznie rośnie. Kiedy pojemność kondensatora, a prąd wejściowy układu jest bardzo mały, spdek napięcia jest mały. Wtedy napięcie wyjściowe jest równe szczytowej wartości napięcia zasilającego diodę, tętnienia są prawie równe zero. Prostownik jednopołówkowy z filtrem o wejściu pojemnościowym jest stosowany jako źródło energii w układach o małym poborze prądu. Filtr taki jest tani, przy czym w stosunkowo prosty sposób umożliwia rozwiązanie filtracji. Ma jednak taką wadę, że napięcie wyjściowe maleje ze wzrostem obciążenia i jednocześnie bardzo szybko rosną tętnienia.;

Filtrem z wejściem indukcyjnym nazywamy filtr, który na swoim wejściu ma indukcyjność (dławik) włączoną w szereg z obciążeniem. Rola indukcyjności polega na magazynowaniu energii obwodu w postaci pola magnetycznego w okresach, gdy prąd w obwodzie narasta, i oddawaniu energii do obwodu, gdy ten prąd znika. W przypadku, gdy indukcyjność dławnika jest zbyt mała lub kiedy prąd obciążenia jest bardzo mały, dławnik nie przepuszcza prądu przez cały okres. W takim przypadku będą występowały pewne przedziały czasowe, w których prąd dłąwnika jest równy zeru. w takich przypadkach cały filtr działa, jak gdyby to był prosty filtr pojemnościowy.

Dławnik, który jest specjalnie tak zbudowqany, że ma małą indukcyjność dla prądu obciążenia dużych prądów i dużą indukcyjność dla małych prądów, nazywa się dławnikiem o zmiennej indukcyjności

RC i LC - filtry dolnoprzepustowe 

W większości zastosowań w elektronice proste filtry dolnoprzepustowe z wejściem pojemnościowym lub indukcyjnym nie mogą zapewnić dostatecznie małych tętnień, gdyż wymagałoby to stosowania zbyt dużych kondensatorów, lub dużych i kosztownych dławików. Jest tak szczególnie wówczas, gdy prąd pobierany z prostownika jest duży. W takich przypadkach stosuje się układy filtrów dolnoprzepustowych typu LC. Filtr LC może mieć dwie konfiguracje: z wejściem pojemnościowym lub z wejściem indukcyjnym.

Filtr LC z wejściem pojemnościowym daje większą składową stałą napięcia ze względu na ładowanie kondensatora do wartości maksymalnej napięcia, ale wymaga dużego prądu od elementu prostowniczego przy ładowaniu kondensatora. 

Filtry typu LC: z wejściem indukcyjnym i z wejściem pojemnościowym

Przebieg napięcia wyjściowego

Prostownik w układzie równoległym

Jest to prostownik w układzie, w którym obciążenie jest włączone równolegle do elementu prostującego. W tym układzie ładowanie kondensatora odbywa się przez małą rezystancję diody w czasie jej przewodzenia, rozładowanie - przez rezystancję odpowiadającą równoległemu połączeniu rezystancji obciążenia i rezystancji diody w czasie nie-przewodzenia.

Zaletę prostownika w układzie równoległym stanowi możliwość uziemienia jednej z elektrod diody i to, że składowa stała napięcia wyprostowanego nie płynie w tym układzie przez źródło napięcia wejściowego, co jest bardzo istotne w niektórych zastosowaniach.

Wadę tego prostownika - w pewnych zastosowaniach - stanowi względnie mała rezystancja układu widziana od strony źródła, co wynika z faktu, że do rezystancji obciążenia prostownika włącza się równolegle zewnętrzną rezystancję obciążenia.

Prostownik w układzie równoległym stosuje się często m.in. do demodulacji sygnałów modulowanych amplitudowo, w technice pomiarowej i niekiedy do polaryzacji siatek sterujących w lampach elektronowych.

Prostownik jednopołówkowy w układzie równoległym

Przebieg zasilania napięciowego

Przebieg napięcia na kondensatorze

                                                                                                                                            UKŁADY PROSTOWNICZE I STABILIZUJĄCE

 

1.   Prostowniki jednopołówkowe

 

a)   Wyznaczenie napięcia wyjściowego biegu jałowego

 

 

gdzie:  U_0ef - napięcie wtórne transformatora w stanie jałowym

            U_F -napięcie diody

 

b)   Wyznaczenie charakterystyki napięcia wyjściowego w funkcji obciążenia U_WY = f=(RL) dla obciążeń R, RL, RC, RCL

 

gdzie:  ri - rezystancja wewnętrzna transformatora

           

                        U_0ef - U_nef

  ri =

               I_nef

 

U_nef, I_nef - wartości skuteczne

c)    Wyznaczenie przy pomocy oscyloskopu maksymalnego napięcia wstecznego

 

 

d)   Wyznaczenie zależności średniego prądu przewodzenia do rezystancji dla obciążenia R, RL, RC, RLC

 

 

 

 

 

e)    Wyznaczenie szczytowego prądu przewodzenia dla obciążenia R, RL, RC, RLC

 

 

f)     Wyznaczenie zależności napięcia tętnień od rezystancji dla obciążenia R, RL, RC, RLC

 

 

g)   Wyznaczenie minimalnych napięć tętnień dla różnych wartości obciążenia

 

 

h)   Badanie wpływu rezystancji transformatora na napięcie wyjściowe i sporządzenie charakterystyki   U_WY = f(R_tr)

 

2.    Prostownik mostkowy

 

Badania należy przeprowadzić jak w punkcie 1 z uwzględnieniem wzorów:

 

-               napięcie wyjściowe biegu jałowego:

-               napięcie wyjściowe pod obciążeniem:

-               maksymalne napięcie wsteczne:

-               średni prąd przewodzenia:

-               szczytowy prąd przewodzenia:

-               napięcie tętnień:

-               minimalne napięcie wyjściowe:

 

3.    Prostowniki dwupołówkowe z dzielonym uzwojeniem wtórnym transformatora: z jednym i dwoma napięciami symetrycznymi

 

Badania należy przeprowadzić jak w punkcie 1 z uwzględnieniem wzorów

 

-               napięcie wyjściowe biegu jałowego:

-               napięcie wyjściowe pod obciążeniem:

-               maksymalne napięcie wsteczne:

-               średni prąd przewodzenia:

-               szczytowy prąd przewodzenia:

-               napięcie tętnień:

-               minimalne napięcie wyjściowe:

 

                  

---