Nejběžnější schémata usměrnění AC na DC

Usměrňovač je elektronické zařízení určené k přeměně elektrické energie ze střídavého proudu na stejnosměrný proud. Základem usměrňovačů jsou polovodičová zařízení s jednostranným vedením - diody a tyristory.

Při nízké zátěži (až několik stovek wattů) se přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud provádí pomocí jednofázových usměrňovačů. Takové usměrňovače jsou určeny k napájení různých elektronických zařízení stejnosměrným proudem, budicích vinutí stejnosměrných motorů malého a středního výkonu atd.

Pro snadnější pochopení činnosti usměrňovacích obvodů budeme vycházet z výpočtu, že usměrňovač pracuje na odporové zátěži.

Jednofázový, půlvlnný (jednocyklový) usměrňovací obvod

Obrázek 1 ukazuje nejjednodušší usměrňovací obvod. Obvod obsahuje usměrňovač zapojený mezi sekundární vinutí transformátoru a zátěž.

Obrázek 1 - Jednofázový půlvlnný usměrňovač: a) obvod - dioda otevřená, b) obvod - dioda zavřená, c) časová schémata činnosti

Napětí u2 se mění sinusově, tzn.obsahuje kladné a záporné půlvlny (půlperiody). Proud v zatěžovacím obvodu prochází pouze v kladných půlcyklech, když je kladný potenciál přiveden na anodu diody VD (obr. 1, a). Při obrácené polaritě napětí u2 je dioda uzavřena, proud v zátěži neteče, ale na diodu je přivedeno zpětné napětí Urev (obr. 1, b).

Che. přes zátěž se uvolní pouze jedna půlvlna napětí sekundárního vinutí. Proud v zátěži teče pouze jedním směrem a je stejnosměrný, i když má pulsující charakter (obr. 1, c). Tato forma napětí (proudu) se nazývá stejnosměrný impuls.

Usměrněná napětí a proudy obsahují stejnosměrnou (užitečnou) složku a střídavou složku (vlnění). Kvalitní stránka činnosti usměrňovače je hodnocena vztahem mezi užitečnou složkou a napěťovým a proudovým buzením. Faktor zvlnění tohoto obvodu je 1,57. Průměrná hodnota korigovaného napětí za periodu Un = 0,45U2. Maximální hodnota zpětného napětí diody Urev.max = 3,14Un.

Výhodou tohoto zapojení je jeho jednoduchost, nevýhody: špatné použití transformátoru, velké zpětné napětí diody, vysoký zvlnění usměrněného napětí.

Jednofázový můstkový usměrňovací obvod

Skládá se ze čtyř diod zapojených do můstkového obvodu. Na jednu diagonálu můstku je připojeno sekundární vinutí transformátoru a na druhou zátěž (obr. 2). Společným bodem katod diod VD2, VD4 je kladný pól usměrňovače, společným bodem anod diod VD1, VD3 je záporný pól.

Obrázek 2-Jednofázový můstkový usměrňovač: a) kladný půlvlnný usměrňovací obvod, b) záporný půlvlnný usměrňovač, c) časová schémata činnosti

Polarita napětí v sekundárním vinutí se mění s frekvencí napájecí sítě. Diody v tomto obvodu pracují v párech v sérii. V kladné půlperiodě napětí u2 vedou diody VD2, VD3 proud a na diody VD1, VD4 se přivede zpětné napětí a ty se uzavřou. Při záporné půlperiodě napětí u2 protéká proud diodami VD1, VD4 a diody VD2, VD3 jsou sepnuté.Zatěžovací proud teče stále jedním směrem.

Obvod je celovlnný (push-pull), protože obě půlperiody síťového napětí Un = 0,9U2, je koeficient zvlnění — 0,67 rozložen na zátěž.

Použití diodového spínacího můstkového obvodu umožňuje použití jednofázového transformátoru pro usměrnění dvou půlcyklů. Kromě toho je zpětné napětí aplikované na diodu 2krát menší.

Spotřebiče středního a vysokého výkonu jsou napájeny stejnosměrným proudem z třífázové usměrňovače, jehož použití snižuje proudové zatížení diod a snižuje faktor zvlnění.

Třífázový můstkový usměrňovací obvod

Obvod se skládá ze šesti diod, které jsou rozděleny do dvou skupin (obr. 2.61, a): katoda — diody VD1, VD3, VD5 a anoda VD2, VD4, VD6. Zátěž je zapojena mezi spojovací body katod a anod diod, tzn. k diagonále stojícího mostu. Obvod je připojen do třífázové sítě.

Obrázek 3 — Třífázový můstkový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti

V každém okamžiku protéká zátěžový proud dvěma diodami.V katodové skupině dioda s nejvyšším anodovým potenciálem pracuje každou třetinu periody (obr. 3, b). V anodové skupině v této části periody pracuje dioda, jejíž katoda má největší záporný potenciál. Každá z diod pracuje jednu třetinu periody. Faktor zvlnění tohoto obvodu je pouze 0,057.

Řízené usměrňovače - usměrňovače, které spolu s korekcí střídavého napětí (proudu) zajišťují regulaci hodnoty korigovaného napětí (proudu).

Řízené usměrňovače se používají k řízení otáček stejnosměrných motorů, jasu žhavení žárovek, při nabíjení baterií atd.

Řízené obvody usměrňovače jsou postaveny na tyristorech a jsou založeny na řízení otevíracího momentu tyristorů.

Obrázek 4a ukazuje schéma jednofázového řízeného usměrňovače. Pro možnost korekce dvou půlvln síťového napětí je použit transformátor s dvoufázovým sekundárním vinutím, ve kterém se tvoří dvě napětí s opačnými fázemi. V každé fázi je zapnutý tyristor. Kladná půlcykla napětí U2 usměrňuje tyristor VS1, záporná - VS2.

Řídicí obvod CS generuje impulsy k otevření tyristorů. Časování otevíracího impulsu určuje, kolik půlvlny se uvolní v zátěži. Tyristor se otevře, když je kladné napětí na anodě a otevírací impuls na řídicí elektrodě.

Pokud impuls dorazí v čase t0 (obr. 4, b), je tyristor otevřen po celou půlperiodu a maximální napětí na zátěži, pokud v časech t1, t2, t3, pak je pouze část napětí sítě uvolněn do nákladu.

Obrázek 4 — Jednofázový usměrňovač: a) obvod, b) časová schémata činnosti

Úhel zpoždění, měřený od okamžiku přirozeného zážehu tyristoru, vyjádřený ve stupních, se nazývá regulační nebo nastavovací úhel a označuje se písmenem α. Změnou úhlu α (fázový posun řídicích impulsů vůči napětí anod tyristorů) měníme dobu otevřeného stavu tyristorů a podle toho i korigované napětí v zátěži.