Temat: Badanie prostownika jednopołówkowego.

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i prostownika

jednopołówkowego oraz sposobami zmniejszania wpływu tętnienia prądu na

działanie i parametry prostownika.

Część teoretyczna:

Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zmiany napięcia

przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być

zmienione na napięcie stałe. Prostowniki możemy podzielić na jednopołówkowe

(półokresowe) i dwu połówkowe (całookresowe).

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 okr esu 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.

Schemat najprostrzego prostownika jednopołówkowego

Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w

zasilaczach impulsowych małych mocy.

Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego

Prąd tętniący – prąd elektryczny okresowo zmienny,

którego wartość średnia całookresowa w ciągu jednego

okresu jest różna od zera. Oznacza to, że taki prąd posiada

składową stałą.

Najczęściej spotykanym przykładem prądu tętniącego jest

prąd płynący z prostownika prądu przemiennego przed

odfiltrowaniem składowej zmiennej. Niemniej jednak

prądy tętniące powstają również w przypadku zasilania

napięciem stałym układu, który generu je zmienne

obciążenia.

W praktyce prądy tętniące są raczej niepożądanym zjawiskiem, ponieważ dąży się albo do

uzyskania prądu (napięcia) przemiennego (składowa zmienna = 100 %, składowa stała = 0

%), lub też napięcia stałego (składowa zmienna = 0 %, składowa stała = 100 %). Dlatego też

stosuje się wszelkiego rodzaju układy filtrujące, które mają za zadanie tłumić wahania

wartości natężenia prądu. Najprostszym sposobem filtrowania jest szeregowa cewka lub

równoległy kondensator. Każdy z tych elementów magazynuje energię, która jest oddawana

w momencie obniżenia prądu (względnie napięcia). Powoduje to zmniejszenie amplitudy

zmian prądu płynącego w obwodzie. Powoduje to oczywiście przepływ prądów zmiennych

wewnątrz takiego układu filtrującego. Z uwagi na to do filtrowania prądów tętniących muszą

być stosowane specjalnie zaprojektowane cewki i kondensatory, ponieważ przy bardzo

dużych wartościach prądów wewnętrznych mogłoby dojść do uszkodzenia takiego elementu.

Dioda prostownicza – dioda przeznaczona głównie do prostowania prądu przemiennego, jej główną cechą jest możliwość przewodzenia prądu o dużym natężeniu.

Głównymi parametrami diod prostowniczych jest maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne (napięcie pomiędzy anodą i katodą w stanie zatkania) i maksymalny prąd przewodzenia, parametry te określają możliwość użycia diody w konkretnym zastosowaniu. Innymi parametrami ważnymi w tego rodzaju zastosowaniach jest maksymalny prąd chwilowy (określający odporność na przeciążenia), maksymalna moc tracona na diodzie, czas odzyskiwania zdolności zaworowej (wyznacza maksymalną częstotliwość prądu prostowanego).

Najpopularniejszym zastosowaniem diody prostowniczej jest prostowanie napięcia o częstotliwości sieciowej, czyli w Polsce 50 Hz.

Spotykane w praktyce zakresy pracy diod prostowniczych obejmują prądy o wartości od kilku mA (miliamperów) do kilku kA (kiloamperów) i napięcia od kilku V (woltów) do kilkudziesięciu kV (kilowoltów). Mogą być wykonywane w postaci półprzewodnikowych diod złączowych (ze złączem p-n) lub diod Schottky'ego (ze złączem metal-półprzewodnik) gdy liczy się szybkość diody, oraz lamp elektronowych np. dioda próżniowa i gazotron.

Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.

Zastosowanie prostowników

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

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 (bądź gazowane), 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)

• prostowniki rtęciowe:

  • ignitrony - prostowniki rtęciowe, wykonane jako lampy gazowane składające się z anody, ciekłej katody rtęciowej oraz elektrody zapłonowej (ignitora) służącej do wzniecania wyładowania. Stosowane były powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach trakcyjnych. Ich najpoważniejszą wadą, która przyczyniła się do ich likwidacji, była ciągła emisja niewielkich ilości par rtęci do środowiska poprzez pompy próżniowe. Ponieważ na podstacjach wyposażonych w prostowniki rtęciowe konieczna była 24 godzinna obsługa, warunki pracy były dla ludzi bardzo niekorzystne.

  • ekscitrony (ekscytrony) - gazowane lampy prostownicze składające się z katody rtęciowej, dwóch anod: głównej i pomocniczej oraz mechanicznego urządzenia do wzniecania wyładowania elektrycznego. Anoda pomocnicza służy do podtrzymywania wyładowania, gdy w obwodzie anody głównej nie ma przepływu prądu. Ekscitrony stosowane są w urządzeniach bardzo wielkiej mocy np. elektrolizerach hutniczych.

  • senditrony - lampy prostownicze różniące się od ignitronów oraz ekscitronów posiadaniem rtęciowej anody. Używane do końca lat 60. XX w., kiedy to zostały wyparte przez tyrystory.

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

Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego

Prostowniki jednofazowe

Jednopołówkowe (półokresowe)

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.

Dwupołówkowe (pełnookresowe)

Czterodiodowy prostownik dwupołówkowy (mostek Graetza)

Dwudiodowy prostownik dwupołówkowy

Napięcie wyjściowe prostownika dwupołówkowego

Prostownik dwupołówkowy

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.

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

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

Jednopołówkowe

Trójdiodowy prostownik jednopołówkowy

Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego

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 ma przewodu zerowego). Rozróżnia się układ prostownika trójfazowego jednopołówkowego z gwiazdą katodową lub gwiazdą anodową.

Dwupołówkowe

Sześciodiodowy prostownik dwupołówkowy

Napięcie wyjściowe prostownika dwupołówkowego

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.

Prostowniki wielofazowe

Układy wielofazowe stosowane są w impulsowych konwerterach napięcia stałego na napięcie stałe o innej i stabilizowanej wartości, układy generują wielofazowy prąd przemienny (od 2 do 5), który jest prostowany. Dla prostowników wielofazowych stosuje się analogiczny układ, w którym liczba gałęzi równa jest odpowiedniej liczbie faz napięcia.

Prostowniki sterowane

Regulowane napięcie wyjściowe prostownika sterowanego (niebieskim kolorem oznaczono impulsy załączające tyrystory, zakreskowana powierzchnia to ilość energii dostarczonej do odbiornika)

Wszystkie prostowniki opisane powyżej mogą być używane również w postaci prostowników sterowanych. W prostownikach takich diody prostownicze zastępuje się tyrystorami prostowniczymi, które sterowane są za pomocą odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowej urządzenia - takie rozwiązanie jest szeroko stosowane np. w spawarkach transformatorowych lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych (popularnie zwanych po prostu prostownikami).

Prostowniki lampowe

Szkic konstrukcji diody próżniowej

Najprostsze próżniowe diody prostownicze budowane były bez galwanicznego oddzielenia włókna żarzenia od katody. Inaczej mówiąc, włókno żarzenia miało potencjał katody, co powodowało pewne utrudnienia w budowie urządzeń z użyciem takich lamp (włókno żarzenia musiało być zasilane z innego źródła, niż pozostałe lampy i miało zazwyczaj wysoki potencjał dodatni względem elektrycznej masy urządzenia), ale znacznie upraszczało konstrukcję samej diody. Dioda taka nazywana była dodatkowym określeniem bezpośrednio żarzona. Istnieją również lampowe gazowane diody prostownicze, zwane gazotronami.

Prostowniki specjalne (powielacze napięcia)

Schemat elektryczny przykładowego powielacza napięcia (napięcie wyjściowe jest zwiększone czterokrotnie w stosunku do napięcia wejściowego)

Istnieje również specjalna odmiana prostowników zwanych powielaczami napięcia, które pozwalają na zwielokrotnienie wejściowego napięcia przemiennego bez wykorzystania transforma

Układ czteroprostownikowy układ Gretza.

W pierwszej połowie okresu, gdy biegunowość napięcia zasilającego jest dodatnia, przewodzą diody D1 i D2, płynie prąd i1. Po zmianie biegunowości napięcia zasilającego tzn. w drugiej połowie okresu przewodzą diody D3 i D4, płynie prąd i2. Diody D1 i D2 znajdują się w tym czasie w stanie zaporowym. W rezultacie przez odbiornik płynie prąd o tym samym zwrocie w obu połowach okresu.