Spis treści:
Mostki prostownicze stanowią nieodłączny element torów zasilania urządzeń sieciowych – poznaj ich budowę, najważniejsze parametry oraz zastosowania.
Prąd przemienny i stały z punktu widzenia energetyki oraz elektroniki
Współczesna energetyka opiera się przede wszystkim na napięciach przemiennych – spotkamy je w większości urządzeń. Dzieje się tak przede wszystkim ze względu na fakt, że łatwość zmiany poziomu tego rodzaju napięcia za pomocą transformatorów umożliwia efektywne przesyłanie energii na duże odległości (przy wysokim napięciu maleją straty na liniach przesyłowych). Ponadto, większość generatorów – z uwagi na swoją konstrukcję – naturalnie wytwarza właśnie prąd przemienny, a to czyni go bardziej praktycznym i ekonomicznym.
Prąd przemienny jest również uważany za nieco bezpieczniejszy od prądu stałego pod względem wywoływanych przezeń skutków biologicznych. Zasilanie układów elektronicznych bazuje jednak niemal wyłącznie na napięciach stałych – z tego też względu konieczne staje się zastosowanie mostków prostowniczych, które pozwalają na przetworzenie (uprzednio obniżonego) napięcia przemiennego sieci na napięcie stałe.
Budowa i zasada działania mostka prostowniczego
Klasyczny mostek prostowniczy składa się z czterech diod krzemowych, połączonych w specyficznej konfiguracji, przypominającej stosowany w technice pomiarowej mostek Wheatstone’a. Schematyczne przedstawienie mostka prostowniczego to obrócony o 45 stopni kwadrat, z diodami umieszczonymi w odpowiedni sposób każdym boku. Dzięki takiej topologii, połączenia poszczególnych elektrod „sąsiadujących” ze sobą diod tworzą cztery węzły.
Dwa z nich (znajdujące się na przeciwległych narożnikach kwadratu) są połączone do źródła napięcia przemiennego (zwykle do wyjścia transformatora obniżającego napięcie do bezpiecznej wartości, np. 12 V czy 24 V), a pozostałe węzły są połączone z obciążeniem, które ma być zasilane prądem stałym.
Warto zwrócić uwagę, że do wyprowadzenia oznaczonego „+” dochodzą katody dwóch diod, podczas gdy do „-” podłączone są anody dwóch pozostałych elementów. Taki układ sprawia, że podczas jednego cyklu prądu przemiennego, dwie diody przepuszczają prąd we właściwym kierunku, a pozostałe go blokują (są bowiem spolaryzowane w kierunku zaporowym). W drugiej połowie cyklu sytuacja się odwraca – diody, które wcześniej przepuszczały prąd, teraz go blokują, a elementy włączone w poprzednim półokresie – nie przewodzą prądu.
Mostek prostowniczy w praktyce - „otoczenie układowe”
Opisany powyżej sposób działania mostka prostowniczego sprawia, że przebieg napięcia wyjściowego przypomina sinusoidę, której ujemne połówki zostały odwrócone i „przerzucone” ponad poziomą oś wykresu. Taki „dwubitny” kształt przebiegu powtarza się w każdym okresie napięcia sieciowego, stąd napięcie wyjściowe mostka określamy mianem wyprostowanego dwupołówkowo. Trudno zatem powiedzieć, że jest to czyste napięcie stałe – wszak zamiast stabilnej wartości napięcia (np. 5 VDC) mamy tutaj do czynienia z silnie tętniącym sygnałem, niezbyt dobrze nadającym się np. do zasilania obwodów elektronicznych, w szczególności tych bazujących na mikrokontrolerach czy też czułych wzmacniaczach operacyjnych.
Nic straconego – wystarczy bowiem przefiltrować napięcie wyjściowe mostka za pomocą baterii kilku dużych kondensatorów elektrolitycznych, które z powodzeniem „wygładzą” napięcie i zbliżą je do naszego wymarzonego ideału. Oczywiście w wielu obwodach nawet taka prosta filtracja okaże się zdecydowanie niewystarczająca – dobrym przykładem będą tutaj chociażby przetworniki analogowo-cyfrowe, które do poprawnego działania wymagają stabilnego napięcia o bardzo niskim poziomie tętnień i szumów. Z tego też względu, w praktyce stosujemy – za baterią kondensatorów filtrujących – stabilizator liniowy, który skutecznie „wytnie” resztę zakłóceń i dostarczy do zasilanych obwodów „czyste” napięcie stałe o bardzo dobrych parametrach.
Stosując mostki prostownicze w zasilaczach transformatorowych (i nie tylko) warto także pamiętać o odpowiednim zabezpieczeniu przed przeciążeniem – aby uniknąć uszkodzenia mostka, ale także transformatora (np. w przypadku nieumyślnego zwarcia wyjścia) przed uzwojeniem pierwotnym należy montować bezpiecznik o wartości obliczonej stosownie do spodziewanego poboru mocy oraz typu transformatora (to zagadnienie wykracza jednak poza ramy naszego artykułu).
Najważniejsze parametry mostków prostowniczych
Parametry mostka prostowniczego, określane przez producenta w nocie katalogowej (ang. datasheet) są kluczowe dla prawidłowego dobierania i stosowania tych elementów w projektach urządzeń elektronicznych. Rozważmy pokrótce najważniejsze z nich:
- Maksymalne napięcie zaporowe (Vrrm)
Jest to maksymalna (szczytowa) wartość napięcia, które mostek prostowniczy jest w stanie wytrzymać podczas pracy w kierunku zaporowym. Przekroczenie tego napięcia może prowadzić do uszkodzenia mostka (przebicia diod). Zwykle w danych katalogowych można także znaleźć maksymalne napięcie skuteczne (Vrms), rzecz jasna niższe od napięcia szczytowego. - Maksymalny prąd przewodzenia (If(av))
Parametr ten informuje o maksymalnym prądzie, jaki mostek jest w stanie przewodzić w stanie przewodzenia, bez uszkodzenia (przegrzania) znajdujących się w jego strukturze diod krzemowych. Warto dodać, że zwykle producenci podają w tym przypadku prąd wyjściowy w postaci wartości średniej prądu wyprostowanego dwupołówkowo. - Maksymalna moc (Pd)
To największa moc, jaką mostek prostowniczy jest w stanie przekształcić bez uszkodzenia (przegrzania). Zależy zarówno od parametrów diod, jak i od przewodnictwa termicznego oraz konstrukcji obudowy, a co za tym idzie – także jej rozmiarów. Istotne znaczenie ma oczywiście sposób mocowania mostka i temperatura otoczenia. - Temperatura pracy (Tj)
Określa zakres temperatur, w jakich mostek prostowniczy jest w stanie prawidłowo funkcjonować. Przekroczenie temperatury maksymalnej może prowadzić do przegrzania diod mostka, ale zbyt niskie temperatury także nie są wskazane – mogą bowiem negatywnie wpływać na trwałość materiałów, z których wykonano komponent. - Prąd wsteczny (IR)
Maksymalna wartość natężenia prądu, płynącego przez diody pracujące w polaryzacji zaporowej. Zwykle utrzymuje się na poziomie od kilkunastu do kilkuset mikroamperów.
Zastosowania mostków prostowniczych
Mostki prostownicze, jak już wspomnieliśmy na początku artykułu, znajdują zastosowanie (niemal wyłącznie) w obwodach sieciowych zasilaczy AC/DC – warto jednak wiedzieć, że nie dotyczy to tylko tradycyjnych zasilaczy transformatorowych. Odpowiednio dobrane mostki mogą wszakże być wykorzystywane także w zasilaczach impulsowych, a nawet prostych konstrukcjach beztransformatorowych – należy przy tym pamiętać, że te ostatnie nie posiadają żadnej bariery izolacyjnej, chroniącej użytkownika przed porażeniem elektrycznym, nie są zatem stosowane w urządzeniach, w których istnieje jakakolwiek szansa na bezpośredni kontakt ciała użytkownika z przewodzącymi elementami urządzenia!
