Prostowniki. Powielacze napięcia

Prostownikiem nazywamy urządzenie, które prostuje prąd przemienny (dwukierunkowy), tzn. zamienia go na prąd jednokierunkowy.

Prostowniki zawierają elementy prostownicze takie jak: diody próżniowe i gazowe, diody półprzewodnikowe, tyratrony, tyrystory i ignitrony.

Prostowniki zawierają elementy sterowane (tyrystory lub tyratrony) nazywamy prostownikami sterowanymi. Umożliwiają one nastawianie wartości średniej stałego napięcia wyjściowego za pomocą zmiany chwil zapłonu elementów prostowniczych .

Najprostszy jest prostownik jedno połówkowy . Dioda D przewodzi tylko dodatnie połówki napięcia przemiennego. Wadą tego prostownika jest to, że przez uzwojenie wtórne transformatora płynie prąd jednokierunkowy oraz że tętnienia napięcia są bardzo duże. Składowa średnia prądu wyprostowanego powoduje pod magnesowanie rdzenia transformatora sieciowego do obszaru o małej przenikalności magnetycznej. Pogarsza to znacznie warunki pracy transformatora. Z tego powodu musi on być znacznie większy niż to wynika z mocy prądu stałego przekazywanej do układu zasilanego. Ogranicza to zastosowanie prostownika jedno połówkowego tylko do układów małej mocy.

Częstotliwość tętnień napięcia wyprostowanego przez prostownik jedno połówkowy jest taka sama jak częstotliwość napięcia sieci, podczas gdy w prostownikach dwu połówkowych jest dwa razy większa od częstotliwości sieci. Ma to duże znaczenie przy filtrowaniu tętnień, które jest tym łatwiejsze, im większa jest ich częstotliwość. Przy większej częstotliwości tętnień taką samą skuteczność filtracji daje filtr o mniejszych wartościach parametrów RC lub LC, tzn. filtr o mniejszych wymiarach i ciężarze, a więc tańszy.

Prostownik dwu połówkowy 2 z dwoma diodami wymaga zastosowania transformatora z dzielonym uzwojeniem wtórnym (uzwojenie z wyprowadzonym środkiem). Dioda D\ przewodzi w pierwszej połowie okresu napięcia us, a dioda D2 w drugiej (itd. na przemian). Wobec tego przez górną połowę uzwojenia wtórnego płynie prąd tylko w pierwszej połowie okresu, a w drugiej nie. Z kolei dolna połowa uzwojenia jest wykorzystana tylko w drugiej połowie okresu — wówczas gdy przewodzi dioda Fh. W układzie tym wprawdzie rdzeń nie jest pod magnesowany prądem stałym, ponieważ prądy płynące przez diody mają zwroty przeciwne, ale uzwojenie wtórne transformatora nie jest w pełni wykorzystane.

Prostowanie dwu połówkowe otrzymujemy również w układzie mostkowym, zwanym układem Graetza (czytaj Greca). W prostowniku mostkowym 3 uzwojenie wtórne transformatora sieciowego jest w pełni wykorzystane, ponieważ płynie przez nie prąd w ciągu całego okresu napięcia sieciowego.

Przy dodatniej połówce napięcia us przewodzą diody D\ i D3, a diody D2 i Z>4 nie przewodzą. Przez uzwojenie wtórne transformatora sieciowego płynie prąd z dołu do góry uzwojenia. Natomiast przy ujemnej połówce napięcia us diody A i D3 nie przewodzą, a diody D2 i Z)3 przewodzą. Prąd płynie przez uzwojenie wtórne z góry na dół .

W obu częściach okresu kierunek przepływu prądu w obciążeniu jest taki sam, a więc prostowanie jest dwu połówkowe.

Układ Graetza zapewnia wprawdzie lepsze wykorzystanie transformatora sieciowego, lecz wymaga zastosowania czterech diod lub innych elementów prostowniczych. Katody tych elementów znajdują się na trzech różnych potencjałach. Jest to szczególnie niedogodne w przypadku zastosowania lampowych elementów prostowniczych, ponieważ nie może być wówczas wspólnego żarzenia.

Inną wadą układu Graetza jest najmniejsza sprawność spośród wszystkich układów prostowniczych. Jest to spowodowane tym, że straty energii występują jednocześnie w dwu diodach połączonych szeregowo, przy tym samym prądzie wyprostowanym.

Sprawność prostowania jest tym większa, im wyższe jest napięcie wyprostowane. Prostowniki półprzewodnikowe osiągają dużą sprawność już przy napięciach kilkudziesięciu woltów, natomiast prostowniki lampowe — przy napięciach wyższych, ponieważ spadek napięcia na przewodzącym elemencie lampowym jest ok. 10 razy większy niż na elemencie półprzewodnikowym. Dla przykładu możemy podać, że sprawność energetyczna prostowników rtęciowych przekracza 90% dopiero przy napięciu ok. 200 V.

W zasilaczach dużej mocy, obok transformatorów trójfazowych, stosuje się prostowniki trójfazowe. Prostowniki trójfazowe również mogą być jedno- i dwu połówkowe (nazywane są one wtedy odpowiednio: trójpulsowymi i sześciopulsowymi). Zasilacze dużej mocy, podobnie jak falowniki wysokiej jakości można kupić w sklepie internetowym websystem.pl.

Częstotliwość tętnień w prostownikach trójfazowych jedno połówkowych (trójpulsowych) jest trzy razy większa niż w prostownikach jednofazowych. Ułatwia to znacznie filtrację napięcia wyprostowanego.

Odmianą prostowników są powielacze napięcia. Stosujemy je przy małych prądach obciążenia (0,1…0,2 A) w przypadku, gdy chcemy uzyskać wysokie napięcie stałe przez prostowanie kilkakrotnie niższego napięcia przemiennego.

Po włączeniu podwajacza napięcia do sieci, w czasie trwania ujemnej połówki napięcia u\, płynie prąci U w obwodzie złożonym z diody D\,kondensatora G i źródła napięcia u\. Prąd ten ładuje kondensator G do napięcia Um\ równego maksymalnej (szczytowej) wartości napięcia zasilającego.

W dodatnim półokresie napięcia u\ płynie prąd i2 przez kondensator G, diodę Th. i kondensator C2. Prąd ten ładuje kondensator G do napięcia 2Um\ dwa razy wyższego od wartości maksymalnej napięcia zasilającego. Przepływ prądu jest wymuszony przez sumę napięcia u\ oraz napięcia na kondensatorze G.

W przypadku dołączenia obciążenia do wyjścia podwajacza kondensator C2 jest rozładowywany przez rezystancję obciążenia i napięcie wyjściowe u2 jest mniejsze od 2Um\.

Potrajacz napięcia działa w podobny sposób. Składa się on z podwajacza, do którego dołączono dodatkowy stopień powielania napięcia złożony z diody D3 i kondensatora C3. Napięcie wyjściowe jest sumą napięć zbieranych z kondensatorów C2 i C3 połączonych szeregowo. Diody ładujące kondensatory są tak włączone, że napięcia kondensatorów dodają się.

W wyniku działania części podwajającej napięcie na kondensatorze C2 wynosi 2 Um\.

Ładowanie kondensatora G odbywa się niezależnie od części podwajającej. Kondensator ten ładuje się prądem i3 do napięcia Uml. Na wyjściu potrajacza napięcia otrzymujemy napięcie równe 3 Umi. W przypadku obciążenia potrajacza kondensatory są rozładowywane przez rezystancję obciążenia i w rezultacie tego napięcie wyjściowe u2 jest mniejsze od wartości 3 Umi tym więcej, im większy płynie prąd obciążenia.

Powielacze napięcia są stosowane w zasilaczach urządzeń elektronicznych wysokiego napięcia o małym poborze prądu; np. w zasilaczu wysokiego napięcia anody kineskopu kolorowego telewizora tranzystorowego Jowisz zastosowano 6-stopniowy powielacz napięcia typu 2D109 dający napięcie stałe 25 kV.

VN:F [1.9.22_1171]
Oceny:
Ocena: 0.0/10 (0 głosów)
VN:F [1.9.22_1171]
Oceny: 0 (z 0 głosów)