Spis treści:
Wiele urządzeń zasilanych z sieci elektrycznej korzysta z prądu zmiennego (AC), ale na przykład lampy LED i elektronika zasilane bateryjnie wymagają prądu stałego (DC). Konwersja prądu pozwala dostosować dostarczaną energię do potrzeb konkretnego urządzenia. Jeden z jej sposobów zapewnia nam mostek prostowniczy Graetza.
Co to jest układ Graetza?
Pomyślmy o prądzie płynącym przez zamknięty obwód zasilany jak o wodzie pompowanej poprzez sieć rur z jednego zbiornika do drugiego. W tej analogii, w zależności od kierunku przepływu pompy, jeden zbiornik będzie pełnił funkcję wlotu, a drugi wylotu. To samo wydarzyłoby się w prostym obwodzie elektrycznym, gdyby kierunek przepływu prądu wejściowego został odwrócony. Bez elementu działającego jak transformator zapewniający wejście prądu stałego działy by się dziwne rzeczy – na przykład, gdyby do obwodu była podłączona dioda (w tym porównaniu mogłoby to być koło wodne), zaczęłaby migać wraz z ciągłymi zmianami kierunku prądu. Ilustruje to dość dobrze fakt, dlaczego wiele urządzeń elektronicznych potrzebuje do prawidłowego działania źródła zasilania prądem stałym.
Mostek Graetza, znany również jako układ mostka prostowniczego, to rodzaj układu używanego do konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Obwód został wynaleziony przez Karola Pollaka i opatentowany w grudniu 1895 roku w Wielkiej Brytanii i w styczniu 1896 roku w Niemczech, jednak w 1897 roku Leo Graetz niezależnie wynalazł podobny obwód i opublikował wynik swoich prac. Jest to popularny układ prostowniczy stosowany w zasilaczach prądowych, ładowarkach, układach regulacji napięcia i wszędzie tam, gdzie wymagane jest przekształcenie prądu przemiennego na prąd stały. Przygotowany układ Graetza składa się z czterech diod, które są połączone w układ mostka – stąd owe częściej występujące nazewnictwo. Diody te pozwalają na przewodzenie prądu w obu kierunkach, co umożliwia konwersję prądu przemiennego na prąd stały.
Jak działa mostek Graetza (układ Graetza)?
Podczas jednej połowy okresu prądu przemiennego dwie diody w mostku są przewodzące, a dwie inne są zaporowe. Prąd płynie przez obwód przez dwie przewodzące diody. Podczas drugiej połowy okresu prądu przemiennego role diod są odwrócone. Diody, które były wcześniej zaporowe, stają się przewodzące, a przewodzące diody stają się zaporowe. Prąd płynie przez obwód przez dwie inne diody. W ten sposób prąd przemienny jest konwertowany na prąd stały, ponieważ prąd płynie w tym samym kierunku przez obwód, niezależnie od kierunku prądu przemiennego. Mostek Graetza zapewnia dzięki temu skuteczny i wydajny sposób prostowania prądu przemiennego, co czyni go popularnym wyborem w wielu zastosowaniach elektronicznych. Prostota konstrukcji cechuje się także niewielką stratą mocy. Implementacja pozostaje prosta, efektywność energetyczna wysoka, a uniwersalność zastosowań rozciąga się od prostych zasilaczy prądu stałego aż po zaawansowane układy regulacji napięcia. To dlatego znajdujemy mostki Graetza w zasilaczach komputerów, telewizorów, ładowarkach i systemach zasilania awaryjnego.
Współczesne mostki prostownicze
Nowoczesne elementy mostków prostowniczych to małe, kompaktowe i dyskretne moduły półprzewodnikowe, które można wyprodukować relatywnie niewielkim kosztem. Oprócz tego, że są szeroko stosowane w zasilaczach urządzeń elektrycznych, są również bardzo popularne w zastosowaniach związanych z ogólnym projektowaniem obwodów. Zwykle dzieli się je na jednofazowe mostki prostownicze lub trójfazowe mostki prostownicze, a następnie dzieli się je na mostki diodowe niekontrolowane, półfalowe i w pełni kontrolowane (pełnofalowe). Znajdujemy je w różnych konfiguracjach montażowych i z popularnymi opcjami takimi jak montaż śrubowy, montaż powierzchniowy (SMD) czy konstrukcje z otworami przelotowymi do mocowania na płytce drukowanej (THT). Ze względu na różnice w sposobie, w jaki radzą sobie z przychodzącymi sygnałami prądu przemiennego, zauważalna jest różnica w ogólnej wydajności operacyjnej (napięciu wyjściowym) pomiędzy różnymi typami mostków, a to prowadzi nas do pytania o kryteria rozsądnego wyboru w obliczu pożądanego zastosowania.
Wybór mostka Graetza - na co zwrócić uwagę?
Wybór zależy od wymagań dotyczących prędkości, efektywności i sterowalności układu. Równie ważne jest miejsce projektowe, gdy stoi przed nami instalacja dodatkowych komponentów na płytce. To jednak kwestia oczywista. Upewnij się, że mostek prostowniczy ma wystarczające parametry prądowe i napięciowe, aby obsłużyć przewidywane obciążenie. Należy uwzględnić zarówno wartość szczytową jak i średnią prądu oraz napięcia. Najlepiej wybierać modele o jak najniższych stratach mocy, aby zwiększyć wydajność całego systemu. Odpowiedni zakres temperatury pracy zapobiegnie przegrzewaniu się i zapewni stabilną pracę w różnych warunkach środowiskowych. Jeśli mostek wykorzystuje diody prostownicze, sprawdź ich parametry, takie jak szybkość przełączania, spadek napięcia (VF), oraz przepustowość w przeciwdziałaniu wstecznej polaryzacji.
Prostowanie pełnofalowe ma miejsce, gdy mostek diodowy aktywnie przekształca ujemną składową wejściowego napięcia przemiennego w napięcie dodatnie, a następnie prostuje cały wynikowy sygnał w prąd stały (prąd impulsowy). Zadanie to jest wykonywane przez dwie diody mocy w prostowniku pełnofalowym, po jednej na każdą połowę fali. Prostowanie półfalowe przyjmuje natomiast inne podejście do pierwszego kroku. Zamiast przekształcać ujemną składową napięcia, prostownik półfalowy wykorzystuje pojedynczą diodę, aby po prostu całkowicie ją usunąć, zanim reszta układu mostka przekształci pozostałą połowę sygnału w użyteczne wejście DC. Oznacza to, że prostowniki pełnofalowe są bardziej wydajne niż prostowniki półfalowe, ponieważ cały przebieg wejściowy jest przekształcany i wykorzystywany do zasilania reszty obwodu. Zwykle skutkuje to również mniejszym napięciem tętnienia niż można zaobserwować przy użyciu układu prostownika z mostkiem półfalowym. Przejrzyste opisy parametrów technicznych układów scalonych i mostków prostowniczych znajdziesz w Botland.
