Co je to usměrňovač? Typy usměrňovačů a jejich činnost

Různé typy usměrňovačů – činnost a aplikace

V elektronice je usměrňovací obvod nejpoužívanějším obvodem, protože téměř každý elektronický přístroj pracuje na stejnosměrný proud (DC), ale dostupnost stejnosměrných zdrojů je omezená, například elektrické zásuvky v našich domácnostech poskytují střídavý proud (AC). Usměrňovač je ideálním kandidátem na tuto práci v průmyslových odvětvích &domácnosti k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. Dokonce i naše nabíječky mobilních telefonů používají usměrňovače k přeměně střídavého proudu z našich domácích zásuvek na stejnosměrný. Různé typy usměrňovačů se používají pro specifické aplikace.

Máme přítomny především dva typy typů napětí, které se v dnešní době hojně používají. Jsou to typy střídavého a stejnosměrného napětí. Tyto typy napětí lze převádět z jednoho typu na druhý pomocí speciálních obvodů určených pro tento konkrétní převod. K těmto přeměnám dochází všude.

Naše hlavní zdroje, které získáváme z rozvodných sítí, mají střídavý charakter a spotřebiče, které používáme v našich domácnostech, obvykle vyžadují malé stejnosměrné napětí. Tento proces přeměny střídavého proudu na stejnosměrný dostal název usměrnění. Přeměně střídavého proudu na stejnosměrný předchází další proces, který může zahrnovat filtraci, konverzi DC-DC atd. Jednou z nejběžnějších součástí elektronického zdroje je můstkový usměrňovač.

Mnoho elektronických obvodů vyžaduje usměrněné stejnosměrné napájení pro napájení různých základních elektronických součástek z dostupné střídavé sítě. Jednoduchý můstkový usměrňovač se používá v různých elektronických napájecích zařízeních na bázi střídavého proudu.

Jiným způsobem, jak se dívat na obvod usměrňovače, je, že lze říci, že převádí proudy místo napětí. To dává intuitivnější smysl, protože jsme více zvyklí používat proud k definování povahy součástky. Stručně řečeno, usměrňovač vezme proud, který má zápornou i kladnou složku, a usměrní jej tak, že zůstane pouze kladná složka proudu.

Mosticové usměrňovače se široce používají v napájecích zdrojích, které zajišťují potřebné stejnosměrné napětí pro elektronické součástky nebo zařízení. Nejúčinnějšími spínacími zařízeními, jejichž vlastnosti jsou plně známy, jsou diody. Teoreticky lze místo diod použít jakýkoli polovodičový spínač, který lze řídit nebo nelze řídit.

• Související příspěvek: Typ diod a jejich použití

Obvykle se typy usměrňovačů klasifikují na základě jejich výkonu. V tomto článku se budeme zabývat mnoha typy usměrňovačů, jako např:

• Jednofázové usměrňovače
• Třífázové usměrňovače
• Řízené usměrňovače
• Neřízené usměrňovače
• Usměrňovače s poloviční vlnou
• Usměrňovače s plnou vlnou
• Můstkové usměrňovače
• Usměrňovače se středem-Řízené usměrňovače

Co je to usměrňovač?

Usměrňovač je elektrické zařízení tvořené jednou nebo více diodami, které převádí střídavý proud (AC) na stejnosměrný (DC). Používá se k usměrňování, kde níže uvedený proces ukazuje, že jak převádí střídavý proud na stejnosměrný.

Co je to usměrňování?

Rektifikace je proces přeměny střídavého proudu (který periodicky mění směr) na stejnosměrný proud (teče jedním směrem).

• Související příspěvek:
  Rektifikace je proces přeměny střídavého proudu (který periodicky mění směr) na stejnosměrný proud (teče jedním směrem): Různé typy relé, jejich konstrukce, činnost &Použití

Typy usměrňovačů

Existují především dva typy usměrňovačů:

1. Usměrňovač neřízený
2. Usměrňovač řízený

Můstkových usměrňovačů je mnoho typů a základem pro klasifikaci může být mnoho, jmenujme alespoň typ napájení, konfigurace můstkového obvodu, řídicí schopnosti atd. Můstkové usměrňovače lze obecně rozdělit na jednofázové a třífázové usměrňovače podle typu vstupu, na kterém pracují. Oba tyto typy zahrnují tyto další klasifikace, které lze provést na jednofázové i třífázové usměrňovače.

Další klasifikace je založena na spínacích zařízeních, která usměrňovač používá, a typy jsou neřízené, poloviční řízené a plně řízené usměrňovače. Některé typy usměrňovačů jsou popsány níže.

Na základě typu usměrňovacího obvodu se usměrňovače dělí do dvou kategorií.

• Půlvlnný usměrňovač
• Plnovlnný usměrňovač

Půlvlnný usměrňovač převádí pouze polovinu střídavé vlny na stejnosměrný signál, zatímco plnovlnný usměrňovač převádí celý střídavý signál na stejnosměrný.

Mosticový usměrňovač je nejčastěji používaný usměrňovač v elektronice a tato zpráva se bude zabývat jeho fungováním a výrobou. Jednoduché zapojení můstkového usměrňovače je nejoblíbenější metodou usměrňování plných vln.

Podrobně probereme řízené i neřízené (půlvlnné a plnovlnné můstkové) usměrňovače s následujícími schématy zapojení a fungováním.

• Související příspěvek:
  

  Neřízený usměrňovač: Typy transformátorů a jejich použití

Neřízený usměrňovač:

Typ usměrňovače, jehož výstupní napětí nelze řídit, se nazývá neřízený usměrňovač.

Usměrňovač používá ke své činnosti spínače. Spínače mohou být různých typů, v širším slova smyslu řízené a neřízené spínače. Dioda je jednosměrné zařízení, které umožňuje průtok proudu pouze jedním směrem. Práce diody není řízena, protože dioda bude vést proud, dokud bude vychýlena dopředu.

Při konfiguraci diod v daném usměrňovači není usměrňovač plně pod kontrolou obsluhy, proto se tyto typy usměrňovačů nazývají neřízené usměrňovače. Neumožňují měnit výkon v závislosti na požadavku zátěže. Tento typ usměrňovače se tedy běžně používá ve zdrojích s konstantním nebo pevným výkonem.

• Související příspěvek: Usměrňovače s konstantním nebo pevným výkonem:

Neřízený usměrňovač používá pouze diody a dává pevné výstupní napětí závislé pouze na střídavém vstupu.

Typy neřízených usměrňovačů:

Neřízené usměrňovače se dále dělí na dva typy:

1. Půlvlnný usměrňovač
2. Plnovlnný usměrňovač

Půlvlnný usměrňovač:

Typ usměrňovače, který převádí pouze poloviční cyklus střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC), se nazývá půlvlnný usměrňovač.

• Pozitivní půlvlnný usměrňovač:

Půlvlnný usměrňovač, který převádí pouze kladný půlcyklus a blokuje záporný půlcyklus.

• Záporný půlvlnný usměrňovač:

Záporný půlvlnný usměrňovač převádí pouze záporný půlcyklus střídavého proudu na stejnosměrný.

Ze všech typů usměrňovačů je záporný půlvlnný usměrňovač nejjednodušší, protože se skládá pouze z jedné diody.

Dioda umožňuje průtok proudu pouze jedním směrem, známým jako předpětí. Do série s diodou je zapojen zatěžovací rezistor RL.

• Související příspěvek: Různé typy snímačů s aplikacemi

Kladný půlcyklus:

Během kladného půlcyklu se anoda svorky diody stane kladnou a katoda zápornou, což se nazývá předpětí. A umožní průchod kladného cyklu.

Záporný půlcyklus:

Během záporného půlcyklu se anoda stane zápornou a katoda kladnou, což se nazývá zpětné předpětí. Dioda tedy bude záporný cyklus blokovat.

Připojíme-li tedy k půlvlnnému usměrňovači zdroj střídavého proudu, bude jím protékat pouze půlcyklus, jak je znázorněno na obrázku níže.

Výstup tohoto usměrňovače je odebrán přes zatěžovací odpor RL. podíváme-li se na graf závislosti vstupu na výstupu, je na něm vidět pulzující kladný půlcyklus vstupu.

Výstup půlvlnného usměrňovače má příliš mnoho zvlnění & není příliš praktické používat tento výstup jako zdroj stejnosměrného proudu. Pro vyhlazení tohoto pulzujícího výstupu je přes rezistor zaveden kondenzátor. Kondenzátor se bude nabíjet během kladného cyklu a vybíjet během záporného cyklu, aby vydal hladký výstupní signál.

Takové typy usměrňovačů plýtvají výkonem půlcyklu střídavého vstupu.

• Související příspěvek: Typy spínačů. Jeho konstrukce, činnost & Použití

Plnovlnný usměrňovač:

Plný vlnový usměrňovač převádí kladné i záporné půlcykly střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC). Poskytuje dvojnásobné výstupní napětí ve srovnání s půlvlnným usměrňovačem

Plný usměrňovač se skládá z více než jedné diody.

Existují dva typy plného usměrňovače.

1. Můstkový usměrňovač
2. Usměrňovač se středovou špičkou

Můstkový usměrňovač

Můstkový usměrňovač používá čtyři diody k přeměně obou půl cyklů vstupního střídavého proudu na stejnosměrný výstup.

V tomto typu usměrňovače jsou diody zapojeny ve specifickém tvaru, jak je uvedeno níže.

Kladný půlcyklus:

Během vstupního kladného půlcyklu se dioda D1 & D2 předpóluje, zatímco D3 & D4 se předpóluje. Dioda D1 & D2 tvoří uzavřenou smyčku, která zajišťuje kladné výstupní napětí na zatěžovacím odporu RL.

Záporný půlcyklus:

Během záporného půlcyklu se dioda D3 & D4 stane předpětí, zatímco D1 & D2 se stane zpětným předpětím. Polarita na zatěžovacím rezistoru RL však zůstává stejná a poskytuje kladný výstup přes zátěž.

Výstup plnovlnného usměrňovače má ve srovnání s půlvlnným usměrňovačem malé zvlnění, ale přesto není hladký a stálý.

Aby bylo výstupní napětí hladké &stálé, je na výstupu umístěn kondenzátor, jak je znázorněno na obrázku níže.

Kondenzátor se nabíjí &vybíjí, čímž dochází k plynulým přechodům mezi půlcykly.

• Související příspěvek:

  Kondenzátor se nabíjí &vybíjí, čímž dochází k plynulým přechodům mezi půlcykly: Z uvedeného schématu zapojení je patrné, že diody jsou zapojeny určitým způsobem:

Fungování obvodu můstkového usměrňovače

Ze schématu zapojení je patrné, že diody jsou zapojeny určitým způsobem. Toto jedinečné uspořádání dalo měniči jeho název. V můstkovém usměrňovači může být napětí, které je zadáno jako vstup, z libovolného zdroje. Může být z transformátoru, který se používá ke zvýšení nebo snížení napětí, nebo může být ze sítě našeho domácího zdroje. V tomto článku používáme k zajištění střídavého napětí transformátor se středovým odbočením 6-0-6.

V první fázi práce usměrňovače se během kladného půlcyklu diody D3-D2 předpínají a vedou. Diody D1-D4 se v tomto půlcyklu předpínají obráceně a nevedou a fungují jako otevřené spínače. Na výstupu tedy dostaneme kladný půlcyklus. Naopak v záporném půlcyklu se diody D1-D4 předepnou a začnou vést, zatímco diody D3-D2 se předepnou a v tomto půlcyklu nevedou.

• Související příspěvek:

Na výstupu opět dostaneme kladný půlcyklus. Na konci procesu usměrnění se záporná část střídavého proudu přemění na kladný cyklus. Výstupem z usměrňovače jsou dva poloviční kladné impulsy se stejnou frekvencí a velikostí jako na vstupu.

Na rozdíl od činnosti půlvlnného usměrňovače má plný můstkový usměrňovač další větev, která mu umožňuje vést pro zápornou polovinu průběh napětí, což půlmůstkový usměrňovač neměl možnost. Průměrné napětí na výstupu plného můstkového usměrňovače je tedy dvojnásobné než u polovičního můstkového usměrňovače.

Přestože k vytvoření plného můstkového usměrňovače používáme čtyři samostatné výkonové diody, jsou „z volného prodeje“ k dispozici hotové součástky můstkového usměrňovače v různých velikostech napětí a proudu, které lze použít přímo k vytvoření funkčního obvodu.

Výstupní průběh napětí po usměrnění není správný stejnosměrný, proto se můžeme pokusit z něj udělat spíše stejnosměrný průběh pomocí kondenzátoru za účelem filtrace. Vyhlazovací nebo zásobníkové kondenzátory, které jsou zapojeny paralelně se zátěží přes výstup plnovlnného můstkového usměrňovacího obvodu, zvyšují střední úroveň stejnosměrného výstupního napětí na požadovanou střední úroveň stejnosměrného napětí na výstupu, protože kondenzátor působí nejen jako filtrační součástka, ale také se periodicky nabíjí a vybíjí, čímž účinně zvyšuje výstupní napětí.

Kondenzátor se nabíjí, dokud průběh nedosáhne své špičky, a vybíjí se rovnoměrně do zátěžového obvodu, když průběh začne klesat. Když tedy výstup klesá, kondenzátor udržuje správné napájecí napětí do zátěžového obvodu, a tím vytváří stejnosměrný proud.

• Související příspěvek: Výhody můstkového usměrňovače:
  1. Malé zvlnění výstupního stejnosměrného signálu
  2. Vysoká účinnost usměrňovače
  3. Malé ztráty výkonu

  Nevýhody můstkového usměrňovače:

  1. Mosticový usměrňovač je složitější než půlvlnný usměrňovač
  2. Větší ztráty výkonu ve srovnání se středovým plnovlnným usměrňovačem.

  Středový usměrňovač

  Tento typ plnovlnného usměrňovače používá středový transformátor & dvě diody.

  

  Středový transformátor je dvounapěťový transformátor, který má dva vstupy (I1 & I2) a tři výstupní svorky (T1, T2, T3). Svorka T2 je připojena ke středu výstupní cívky, která slouží jako referenční zem (referenční napětí o). Svorka T1 vytváří kladné napětí a svorka T3 vytváří záporné napětí vzhledem k svorce T2.

  • Související příspěvek: Usměrňovač se středovou odbočkou je navržen následovně:

    

    Postupný půlcyklus:

    Při vstupním kladném půlcyklu bude T1 vyrábět kladné a T2 záporné napětí. Dioda D1 se stane předpětí vpřed & dioda D2 se stane zpětným předpětím. Tím se vytvoří těsná cesta od T1 k T2 přes zatěžovací odpor RL, jak je znázorněno níže.

    

    Záporný půlcyklus:

    Nyní během vstupního záporného půlcyklu bude T1 generovat záporný cyklus & T2 bude generovat kladný cyklus. Tím se dioda D1 dostane do zpětného předpětí & dioda D2 do předpětí. Ale polarita na zatěžovacím rezistoru RL je stále stejná, protože proud jde cestou od T3 k T1, jak je znázorněno na obrázku níže.

    

    Výstup stejnosměrného proudu usměrňovače se středovou lávkou má také zvlnění a není to hladký & stálý stejnosměrný proud. Kondenzátor na výstupu odstraní zvlnění a vytvoří stabilní stejnosměrný výstup.

    

    • Související příspěvek:

      

      Kondenzátor na výstupu odstraní zvlnění a vytvoří stabilní stejnosměrný výstup: & Nelineární

    Řízený usměrňovač: Typ rezistoru | Pevný, proměnný, lineární & Nelineární

  Řízený usměrňovač:

  Typ usměrňovače, jehož výstupní napětí lze měnit nebo měnit, se nazývá řízený usměrňovač.

  Potřeba řízeného usměrňovače je zřejmá, když se podíváme na nedostatky neřízeného můstkového usměrňovače. Abychom z neřízeného usměrňovače udělali řízený, použijeme proudově řízená polovodičová zařízení, jako jsou SCR, MOSFET a IGBT. Máme plnou kontrolu nad tím, kdy se SCR zapíná nebo vypíná na základě impulzů hradla, které na něj aplikujeme. Ty jsou obecně výhodnější než jejich neřízené protějšky.

  Skládá se z jednoho nebo více než jednoho SCR (Silicon Controlled Rectifier).

  An SCR, také známý jako tyristor, je tříkoncová dioda. Tyto svorky jsou anoda, katoda & a řídicí vstup známý jako hradlo.

  Stejně jako jednoduchá dioda SCR vede proud v předpětí a blokuje proud v opačném předpětí, ale začne vést proud pouze tehdy, když je na vstupu hradla impulz. Výstupní napětí lze tedy řídit pomocí vstupu hradla.

  • Související příspěvek: Další informace: Typy integrovaných obvodů. Klasifikace integrovaných obvodů a jejich omezení

  Typy řízených usměrňovačů

  Existují dva typy řízených usměrňovačů.

  Polovlnný řízený usměrňovač

  Polovlnný řízený usměrňovač je tvořen jedním SCR (Silicon Controlled Rectifier).

  Půlvlnný řízený usměrňovač má stejnou konstrukci jako půlvlnný neřízený usměrňovač s tím rozdílem, že diodu nahradíme SCR, jak je znázorněno na obrázku dole.

  

  SCR nevede při zpětném vychýlení, takže zablokuje záporný půlcyklus.

  Při kladném půlcyklu bude SCR vést proud za jedné podmínky, když na vstup hradla přivedeme impuls. Na vstupu hradla je samozřejmě periodický pulzní signál, který je určen k aktivaci SCR při každém kladném půlcyklu.

  Tímto způsobem můžeme řídit výstupní napětí tohoto usměrňovače.

  • Související příspěvek:
    • Výstupní napětí tohoto usměrňovače můžeme řídit pomocí pulzního signálu:

      Výstupem SCR je rovněž pulzující stejnosměrné napětí/proud. Tyto pulzy se odstraňují pomocí kondenzátoru paralelně k zatěžovacímu rezistoru RL.

      

      Usměrňovač řízený plnou vlnou

      Typ usměrňovače, který převádí kladný i záporný půlcyklus střídavého proudu na stejnosměrný a také řídí amplitudu výstupu, se nazývá usměrňovač řízený plnou vlnou.

      Stejně jako neřízený usměrňovač má i řízený usměrňovač s plnou vlnou dva typy.

      • Související příspěvek: Usměrňovač s plnou vlnou: V tomto usměrňovači je diodový můstek nahrazen SCR (tyristorovým) můstkem se stejnou konfigurací, jak je znázorněno na obrázku níže.

        

        Pozitivní půlcyklus:

        Během pozitivního cyklu SCR (tyristor) T1 & T2 po přivedení impulzu hradla vede. T3 & T4 budou mít obrácené předpětí, takže budou blokovat proud. Výstupní napětí se vytvoří na zatěžovacím rezistoru RL, jak je znázorněno níže.

        

        Záporný půlcyklus:

        Při záporném půlcyklu se tyristor T3 & T4 stane předpětí vzhledem ke vstupnímu impulsu hradla & T1 & T2 se stane zpětným předpětím. Na zátěžovém rezistoru RL se objeví výstupní napětí.

        

        Na konci výstupu se použije kondenzátor, který odstraní zvlnění a zajistí, že výstup bude stabilní & hladký.

        

        Řízený usměrňovač se středovým odbočením:

        Jeho činnost je stejná jako u neřízeného usměrňovače se středovým kohoutem &, jeho schéma je uvedeno níže.

        

        • Související příspěvek: Usměrňovače s jednofázovým a třífázovým usměrňovačem

          Tato klasifikace je založena na typu vstupu, na kterém usměrňovač pracuje & D

        . Pojmenování je poměrně jednoduché. Je-li vstup jednofázový, nazývá se usměrňovač jednofázovým usměrňovačem, a je-li vstup třífázový, nazývá se třífázovým usměrňovačem.

        Jednofázový můstkový usměrňovač se skládá ze čtyř diod, zatímco třífázový usměrňovač používá šest diod uspořádaných určitým způsobem, aby se dosáhlo požadovaného výstupu. Může se jednat o řízené nebo neřízené usměrňovače v závislosti na spínacích součástkách použitých v jednotlivých usměrňovačích, jako jsou diody, tyristory atd.

        Srovnání usměrňovačů

        Následující tabulka ukazuje srovnání mezi různými typy usměrňovačů, jako je půlvlnný usměrňovač, plnovlnný usměrňovač a usměrňovač se středovým odbočovačem.

        • Související příspěvek: Usměrňovače s půlvlnným usměrňovačem, s plnovlnným usměrňovačem a se středovým odbočovačem: Autotransformátor – jeho typy, činnost, výhody a použití

        Použití usměrňovačů

        Téměř všechny elektronické obvody pracují se stejnosměrným napětím. Hlavním účelem použití usměrňovače je usměrnění, což znamená přeměnu střídavých napětí na stejnosměrná. To znamená, že usměrňovače se používají téměř ve všech výkonových usměrňovačích a elektronických přístrojích.

        Níže je uveden seznam běžných aplikací a použití různých usměrňovačů.

        • Rektifikace, tj. přeměna stejnosměrných napětí na střídavá.
        • Usměrňovače se používají při elektrickém svařování k zajištění polarizovaného napětí.
        • Používá se také v trakci, kolejových vozidlech a třífázových trakčních motorech používaných pro jízdu vlaků.
        • Půlvlnné usměrňovače se používají v odpuzovačích komárů a páječkách.
        • Půlvlnný usměrňovač se také používá v AM rádiu jako detektor a detektor signálových špiček.
        • Rektifikátory se používají také v modulaci, demodulaci a násobičích napětí.
        • Typy aktivních hornopropustných filtrů
        • Typy pasivních hornopropustných filtrů
        • Typy aktivních dolnopropustných filtrů
        • Typy pasivních dolnopropustných filtrů
        • Typy DEMUX. – Aplikace demultiplexeru
        • Typy MUX – aplikace digitálního multiplexeru
        • Typy binárních sčítačů & Subtractor
        • Typy binárních kodérů
        • Typy binárních dekodérů