2.1. Dioda półprzewodnikowa

Prostownik - urządzenie elektryczne przetwarzające prąd przemienny (dwukierunkowy) na jednokierunkowy. W prostownikach stosuje się zwykle diody półprzewodnikowe. Są to elementy mające dwie końcówki - anodę i katodę. Gdy potencjał anody jest wyższy od potencjału katody, dioda znajduje się w stanie przewodzenia - jej rezystancja jest niewielka. W przeciwnym razie dioda znajduje się w stanie zaporowym - jej rezystancja jest bardzo duża.

Rzeczywista dioda ma charakterystykę prądowo-napięciową pokazaną na rysunku 1a. W praktyce często przyjmuje się, że w stanie przewodzenia spadek na diodzie jest stały i wynosi około 0,7 V dla diody krzemowej i około 0,3 V dla diody germanowej (charakterystyka na rysunku 1b). Często również spadki napięć na diodach pomija się całkowicie, przyjmując, że stanowi ona idealny element prostowniczny (rys. 1c).

a)	b)	c)	d)

Rys. 1. Symbol diody (a) oraz charakterystyki prądowo-napięciowe wybranych modeli diod:
b) dioda rzeczywista, c) dioda uproszczona, d) dioda idealna

2.2. Prostownik jednopołówkowy (1D)

Rozpatrzmy pracę układu z rysunku 2 po zasileniu go napięciem sinusoidalnie zmiennym. Jeśli w danej chwili potencjał anody jest wyższy od potencjału katody (co zachodzi dla dodatnich połówek sinusoidy), to dioda przewodzi. Jeśli natomiast potencjał anody jest niższy od potencjału katody (ujemne połówki sinusoidy), to dioda nie przewodzi (i ≈ 0).

a)	b)

Rys. 2. Prostownik jednopołówkowy (a) i przebiegi napięć (b)

Wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi

2.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie Graetza (4D)

Jednym z prostowników dwupołówkowych jest tzw. mostek Grateza (rys. 3a). Gdy potencjał węzła A jest wyższy od potencjału punktu B, diody D₁ i D₄ przewodzą, a diody D₂ i D₃ znajdują się w stanie zaporowym. Ma to miejsce jeśli napięcie wejściowe jest większe od zera (dla dodatnich połówek sinusoidy). Jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze od zera (ujemne połówki), potencjał punktu A jest niższy od potencjału punktu B i diody D₁ i D₄ znajdują się w stanie zaporowym,
a diody D₂ i D₃ - w stanie przewodzenia. W tej sytuacji kierunek prądu płynącego przez rezystor nie ulega zmianie, a więc ujemne połówki zostają „przerzucone do góry” (rys. 3b).

Wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi

a)	b)

Rys. 3. Mostek Graetza (a) i przebiegi napięć (b)

2.4. Prostownik 6D

Do prostowania napięcia trójfazowego wykorzystuje się tzw. układ 6D (rys. 4a). Działa on na zasadzie podobnej do zasady działania mostka Graetza. Przypuśćmy, że początkowo węzeł A ma najwyższy potencjał, a węzeł B - najniższy (rys. 4b, pogrubione linie na górnym wykresie). Wtedy przewodzą diody D₁ i D₄, a pozostałe diody znajdują się w stanie zaporowym, a więc napięcie u_R jest równe u_AB (pomijając spadki napięć na diodach). Stan taki trwa 1/6 okresu T sinusoidalnego napięcia trójfazowego. Po tym czasie potencjał węzła C staje się niższy od potencjału węzła B (potencjał A nadal jest najwyższy) i rolę diody D₄ przejmuje dioda D₆ (przewodzą D₁ i D₆). Wtedy napięcie u_R = u_AC = -u_CA. Po dalszym czasie T/6 potencjał węzła B staje się najwyższy i rolę diody D₁ przejmuje dioda D₃ (przewodzą D₃ i D₆), a napięcie u_R = u_BC. Następnie potencjał punktu A staje się najniższy (przewodzą diody D₃ i D₂, u_R = u_BA = -u_AB), potem potencjał punktu C staje się najwyższy (przewodzą diody D₅ i D₂, u_R = u_CA) i wreszcie potencjał punktu B staje się najniższy (przewodzą diody D₅ i D₄, u_R = u_CB = -u_BC). Po tym czasie cykl pracy prostownika powtarza się.

Jeśli U_m jest wartością maksymalną napięcia międzyfazowego, to

a)	b)

Rys. 4. Układ 6D (a) i przebiegi napięć (b)

Prostowniki niesterowane

Prostowniki są przekształtnikami stosowanymi do przekształcania energii prądu przemiennego w energię prądu stałego. Jeżeli w układzie prostowniczym elementami zaworowymi są wyłącznie diody, to układ taki jest nazywany prostownikiem niesterowanym. W prostowniku, przekształcaniu podlegają przebiegi przemienne, zatem przebiegi wyprostowane są przebiegami pulsującymi. Liczba pulsów przypadająca na jeden okres prostowanego przebiegu zależy od układu prostownika- Rodzaj prostownika - przy danej wartości napięcia przemiennego - decyduje również o wartości napięcia wyprostowanego, rozumianej w zagadnieniach prostownikowych jako wartość średnia tego napięcia
.

Prostownik jednopołówkowy

Model obwodowy prostownika jednopołówkowego przedstawiono na rys. Wartości chwilowe napięć w tym obwodzie zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa spełniają równanie

którego rozwiązaniem jest wyrażenie określające wartość chwilową prądu wyprostowanego

gdzie

W zależności od rodzaju obciążenia można wyróżnić trzy przypadki pracy prostownika:

l. Obciążenie czysto rezystancyjne, gdy L_d = 0 (zatem ϕ = 0), a więc na podstawie
wzoru (14.2)

Przebieg prądu w obwodzie jest taki sam jak napięcia źródła; prąd ten płynie do chwili,
w której napięcie zmienia znak na przeciwny. Przebiegi napięć i prądu przedstawiono
na drugim rysunku.

Model obwodowy prostownika jednopołówkowego

Przebiegi napięć i prądu w prostowniku jednopołówkowym: a) napięcie źródła; b) napięcie i prąd obciążenia; c) napięcie na diodzie

Dioda D przekazuje napięcie źródła do obciążenia przy dodatniej polaryzacji jej anody względem katody i blokuje napięcie półfali (połówki) ujemnej. W rzeczywistości, w czasie przewodzenia diody występuje na niej niewielki spadek napięcia (w przypadku diody krzemowej ok. 0,7 V), wynikający z charakterystyki diody.

Wartość średnia napięcia wyprostowanego na obciążeniu prostownika

przy czym
, natomiast wartość skuteczna tego napięcia

i odpowiednio prądy

;
;

2. Obciążenie rezystancyjno-indukcyjne, gdy
.

W odróżnieniu od poprzedniego przypadku, prąd nie przestaje płynąć w chwili, gdy napięcie źródła jest równe zeru, lecz jest „przeciągany" poza tę chwilę. Kąt przewodzenia
Fizyczną przyczyną tego „przeciągania" jest samoindukcja, która powoduje w obwodzie pojawienie się dodatkowej sem przy zmniejszaniu się wartości prądu w indukcyjności cewki. W ten sposób energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki może być całkowicie zwrócona do obwodu (w przedziale
iloczyn wartości chwilowych napięcia i prądu, wyrażający moc chwilową pobieraną ze źródła jest ujemny, a zatem moc jest przekazywana do źródła).

Przebiegi prądów i napięć w układzie prostownika jednopołówkowego: a) gdy R≠0, L_d≠0; b) gdy R=0, L_d≠0

Zjawisko „przeciągania” prądu poza przedział dodatnich chwilowych wartości napięcia zasilania istnieje nawet wtedy, gdy obciążenie jest czysto rezystancyjne. Związane jest to z faktem, że w przypadku zasilania układu z transformatora, w obwodzie zawsze występuje reaktancja rozproszenia jego uzwojeń, związana ze strumieniem rozproszenia.

3. Obciążenie czysto indukcyjne, gdy R_d = 0.

Kąt przewodzenia wynosi λ = 2π.

W układzie prostownika jednopołówkowego w czasie jednego okresu napięcia zasilającego występuje tylko jeden impuls - stąd nazwa - układ jednopulsowy. Jednokierunkowość prądu wtórnego transformatora powoduje, że w uzwojeniu tym istnieje składowa stała przepływu. Składowa stała podmagnesowuje rdzeń transformatora i pogarsza warunki jego pracy.

Prostowniki pełnookresowe (dwupołówkowe)

Dwupołówkowe układy prostownikowe są nazywane również układami dwupulsowymi.

Na rysunku 14.4a przedstawiono układ jednokierunkowy (przez daną część uzwojenia wtórnego transformatora prąd płynie tylko w jednym kierunku). Układ ten można traktować formalnie jako układ dwufazowy. Zaletą układu dwufazowego jest występowanie w nim tylko dwóch zaworów. Wadą - przede wszystkim transformator z dzielonym (dokładnie na polowy) uzwojeniem wtórnym.

Modele obwodowe prostowników dwupulsowych: a) układ jednokierunkowy; b) układ mostkowy

Wady tej nie ma układ mostkowy. Na rysunku przedstawiono jednofazowy mostkowy prostownik pełnookresowy tzw. układ Graetza. Układ ten może być bezpośrednio (bez transformatora) włączony do sieci. Przebiegi prądów i napięć są jednakowe w obydwu układach. Przewodzeniu diody np. Dl w układzie dwuzaworowym, odpowiada w układzie mostkowym przewodzenie pary diod D1-D1', natomiast diodzie D2 - para D2-D2'.

Przebiegi prądów i napięć (przy L_d = 0) w prostowniku dwupulsowym

Maksymalne napięcie wsteczne diod układu dwuzaworowego jest równe maksymalnemu napięciu źródła
. W układzie mostkowym napięcie to rozkłada się na dwa zawory szeregowo przewodzące daną półfalę. Zatem w układzie Graetza można stosować diody napięciowo -słabsze".

Dwupołówkowe prostowanie umożliwia uzyskanie 2-krotnie większych wartości średnich prądu i napięcia na obciążeniu niż przy prostowaniu jednopołówkowym (pole powierzchni ograniczonej przez przebiegi chwilowe w przedziale jednego okresu jest dwa razy większe); zatem w układach dwupulsowych wartość średnia napięcia wyprostowanego
.

W układach pełnookresowych, podobnie jak w prostowniku jednozaworowym, ze względu na indukcyjność również występuje zwiększenie kąta przewodzenia zaworu poza π. Przy kątach
, gdzie k = l, 2. 3,... zaczyna przewodzić następny zawór - zatem istnieją krótkie przedziały jednoczesnego przewodzenia dwóch zaworów: ustępującego i wstępującego (w układzie mostkowym będą to dwie pary diod). Zjawisko to jest nazywane komutacją zaworów. W wyniku komutacji zostaje obniżona wartość napięcia wyprostowanego a więc powstają tzw. straty komutacyjne.

Prostowniki trójfazowe

Podstawowymi układami są układy trójpulsowe i sześciopulsowe.

Jest to układ trójfazowy z wyprowadzonym przewodem zerowym. W uzwojeniu dowolnej fazy prąd może płynąć tylko w jednym kierunku, zatem układ ten jest klasyfikowany do grupy układów jednokierunkowych.

W przedziale jednego okresu napięcia źródła występują trzy pulsy napięcia wyprostowanego - stąd nazwa układ trójpulsowy. Ponieważ katody wszystkich zaworów są zwarte, więc w dowolnej chwili przewodzi ten zawór, którego anoda ma wyższy potencjał niż pozostałe. Powoduje to cykliczne przewodzenie zaworów kolejnych faz. Każdy zawór przewodzi przez jedną trzecią okresu. Wygodnie jest przedstawić odpowiedni wycinek sinusoidalny jak na rys.c, w celu obliczenia wartości średniej napięcia wyprostowanego

Prostownik trójpulsowy: a) model obwodowy prostownika, b) przebieg napięcia wyprostowanego, c) napięcie wyprostowane w przedziale jednego impulsu

Wartość skuteczna napięcia wyprostowanego

.

Każdy zawór przewodzi jedną trzecią część okresu, zatem prąd średni diody

Ponieważ udział każdego zaworu w mocy obciążenia również wynosi jedną trzecią, stąd

→
.

Badanie prostowników

6

Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechniki

---