UKŁADY PROSTOWNICZE

  Zasilanie energią elektryczną urządzeń energoelektronicznych

Źródłami energii elektrycznej są między innymi baterie elektryczne i elektrownie. Wszystkie źródła energii elektrycznej mogą być wykorzystane do bezpośredniego zasilania urządzeń elektronicznych. Muszą jednak być spełnione następujące wymagania:

·        właściwa postać energii elektrycznej

·         odpowiednia stałość napięcia

·        określona wydajność prądowa

·         małe wymiary i masa

·        powszechna dostępność

·        długotrwała praca

·        brak zagrożenia dla otaczającego środowiska

Wymagania te spełniają baterie elektrochemiczne oraz sieć elektryczna za pośrednictwem zasilacza sieciowego.

Zasilacz sieciowy przetwarza energię elektryczną prądu przemiennego w energię prądu stałego. Zasilacze budowane są z elementów półprzewodnikowych takich jak: diody, tranzystory, układy scalone. Niekiedy zachodzi potrzeba przetwarzania prądu stałego o małej wartości napięcia w prąd o wyższym napięciu. Służą w tym celu układy zwane przetwornicami napięcia lub przetwornicami dc-dc. Jeżeli jest wymagane uzyskanie wysokiego napięcia do zasilania układów pobierających dość małą moc np. kineskopy, to stosuje się powielacze napięcia.

Schemat blokowy zasilacza

Klasyfikacja prostowników.

a) ze względu na strukturę i liczbę faz napięcia zasilającego:

  jednofazowe

wielofazowe

b) ze względu na to w ciągu ilu półokresów napięcie podlega prostowaniu:

jednopołówkowe (półfalowe)

dwupołówkowe (całofalowe)

c) Ze względu na charakter obciążenia:

rezystancyjne

 pojemnościowe

  indukcyjne 

Podstawowe wielkości charakteryzujące prostownik:

napięcie zasilające U2

składowe stałe napięcia wyjściowego Uos, Ios

dopuszczalny prąd wyjściowy Iosmax

sprawność energetyczna (mocowa) NIp

współczynnik tętnień

maksymalna wartość napięcia wstecznego Urm

Sprawność energetyczna (mocowa) jest obliczana jako stosunek mocy prądu wyjściowego i mocy wejściowej prądu zmiennego.

Współczynnik tętnień to stosunek amplitudy w składowej podstawowej tętnień na wyjściu Uo1m i składowej stałej Uos

Maksymalna wartość napięcia wstecznego to największa wartość napięcia jakie może wystąpić na elemencie prostowniczym. 

Prostownik jednopołówkowy.

Układ ten jest najprostszym prostownikiem prądu przemiennego. Zbudowany jest z transformatora- który obniża napięcie sieciowe na niższe, diody prostowniczej- która prostuje prąd i napięcie, obciążenia.

Na wyjściu transformatora otrzymujemy napięcie sinusoidalne. W dodatniej półfali napięcia prąd płynie przez uzwojenie wtórne transformatora, diodę (znajduje się ona teraz w stanie przewodzenia) oraz przez obciążenie. W ujemnej półfali prąd nie płynie ponieważ dioda nie przewodzi ponieważ znajduje się w stanie zaporowym (spolaryzowana jest w kierunku zaporowym). Przez rezystancję płynie prąd jednokierunkowy, tętniący.

Prostownik jednofazowy, dwupołówkowy, z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora.

Charakterystyki czasowe prostownika półfalowego:

·         sygnał napięciowy podawany na wejście prostownika;

• sygnał napięciowy na wyjściu prostownika.

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 którym na anodzie diody D1 występuje napięcie dodatnie, a 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 transformatora mamy sytuację w której dioda D1 przewodzi a dioda D2 nie przewodzi. Przy połówce ujemnej przewodzi dioda D2, a nie przewodzi dioda D1.

Prostownik całofalowy

Prostowanie całofalowe, zwane też prostowaniem dwupołówkowam, realizuje się w układzie dwuprostownikowym oraz w układzie czteroprostownikowym zwanym układem mostkowym Graetza.

Charakterystyki czasowe prostownika całofalowego:

·         sygnał napięciowy podawany na wejście prostownika;

• sygnał napięciowy na wyjściu prostownika.

Układ dwuprostownikowy wymaga stosowania transformatora o wyprowadzonym środku uzwojenia wtórnego. W pierwszej połowie okresu przewodzi dioda D1, a dioda D2 znajduje się w stanie zaporowym. Przez rezystor R płynie prąd i1. Gdy napięcie zasilające zmieni biegunowość, dioda D1 przechodzi w stan zaporowy, natomiast przewodzi dioda D2. W tym czasie przez rezystor R płynie prąd i2.

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.

Schemat zasilacza z wbudowanym mostkiem Gretza

Układ jednofazowy jednopołówkowy.

Najprostszym układem do prostowania półfalowego, zwanego również jednopołówkowym jest układ jednoprostownikowy. Załóżmy że do zacisków obwodu jest doprowadzone napięcie sinusoidalne. W pierwszej połowie okresu zmienności napięcia, gdy wartość chwilowa tego napięcia jest dodatnia (u > 0), dioda znajduje się w stanie przewodzenia, prąd w obwodzie i=u/R zmienia się też sinusoidalnie. W końcu tego półokresu napięcie u=0, zatem prąd i=0. W drugiej połowie okresu napięcie zmienia znak, u < 0, a więc do prostownika zostaje doprowadzone napięcie o biegunowości ujemnej. W związku z tym prostownik przechodzi w stan zaporowy i prąd w obwodzie nie płynie i=0. Do końca okresu prąd w obwodzie jest równy zeru. Ponowny przepływ prądu następuje od początku drugiego okresu, gdy napięcie ma znowu wartość dodatnią i dioda przechodzi w stan przewodzenia.