Układy prostownicze odgrywają kluczową rolę w wielu dziedzinach techniki, elektroniki i energetyki, przekształcając prąd zmienny (AC) na prąd stały (DC). Współczesne technologie opierają się na prostownikach, które są niezbędne w zasilaniu urządzeń elektronicznych, ładowania akumulatorów, a także w systemach zasilania dla różnych aplikacji przemysłowych. Prostowniki mogą być realizowane na różne sposoby, korzystając z diod półprzewodnikowych, tyrystorów , w zależności od wymagań danego projektu. Dzięki różnorodności konstrukcji i technologii, układy prostownicze można dostosować do specyficznych potrzeb, co czyni je niezbędnym elementem w wielu nowoczesnych systemach zasilania.
Podział układów prostowniczych
Układy prostownicze można podzielić na kilka kategorii.
Ze względu na liczbę faz:
- Jednofazowe.
- Trójfazowe.
Ze względu na liczbę półprzewodnikowych przyrządów mocy:
- Prostowniki półfalowe.
- Prostowniki pełnofalowe.
Ze względu na układ elementów:
- Prostowniki mostkowe.
Ze względu na sposób działania:
- Prostowniki niesterowalne.
- Prostowniki sterowalne.
W niniejszym opracowaniu autor przybliży typowe rozwiązania prostowników niesterowalnych i sterowalnych oraz dla wybranych typów, zobrazuje przebieg napięcia wejściowego (AC) oraz wyjściowego (wyprostowanego DC). Układy prostownicze są kluczowe w aplikacjach elektronicznych, gdzie wymagane jest zasilanie prądem stałym.
Podstawowy podział prostowników związany jest z możliwościami sterowania zastosowanych przyrządów półprzewodnikowych. Prostowniki niesterowalne są prostownikami diodowymi, w których wartość średnia napięcia wyprostowanego w stanie jałowym zależy od układu połączeń danego prostownika, ilości faz i napięcia zasilającego. Prostowniki sterowalne są prostownikami tyrystorowymi umożliwiając regulacje wartości średniej napięcia wyprostowanego przez zmianę kąta wysterowania tyrystorów.
Symbol prostownika niesterowalnego
Symbol prostownika sterowalnego
Diody prostownicze „prostują” napięcie lub prąd zmienny o małej częstotliwości, przetwarzając go na prąd jednokierunkowy; przewodzą prąd dopiero po przekroczeniu określonej wartości napięcia w kierunku przewodzenia (dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,2 V).
Prostowniki niesterowalne
Prostowniki niesterowalne to układy, w których zastosowano wyłącznie diody prostownicze. Podstawową cechą prostowników jest przewodnictwo jednokierunkowe. Prąd jest przepuszczany bez większego spadku napięcia w jednym kierunku (od anody do katody). W przeciwnym kierunku (od katody do anody) prąd nie jest przepuszczany.
Prostownik jednofazowy jednopołówkowy
Średnia wartość napięcia wyprostowanego: 0,45 V.
Na grafikach w artykule znajdują się dwa wykresy w dwóch kolorach – żółty dotyczy napięcia wejściowego, zielony wyjściowego.
Prostownik jednofazowy dwupołówkowy (układ Graetza)
Średnia wartość napięcia wyprostowanego: 0,90 V.
Przedstawiony schemat prostownika jednofazowego mostkowego (mostek Graetza) niesterowalnego to jeden z najpopularniejszych rozwiązań prostowników niesterowalnych – jest także używany w różnych aplikacjach elektronicznych, takich jak zasilanie układów elektronicznych, w prostownikach i systemach ładowania.
Istnieje jeszcze mniej popularne rozwiązanie prostownika niesterowalnego, trochę trudniejsze do realizacji technicznej:
Prostownik jednofazowy dwupołówkowy z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego
Prostownik niesterowalny trójfazowy mostkowy
Prostowniki sterowalne
Prostowniki sterowalne to układy do przetwarzania napięcia przemiennego na stałe z możliwością płynnej zmiany wartości napięcia i prądu wyprostowanego. Zmiana wartości napięcia wyprostowanego jest możliwa dzięki zastosowaniu tyrystorów. Wartość średnią napięcia wyprostowanego nastawia się przez zmianę kąta przesunięcia fazowego prądu bramkowego (załączającego tyrystor) względem napięcia prostowanego.
Prostownik sterowalny jednofazowy jednopołówkowy
Prostownik sterowalny jednofazowy dwupołówkowy
Prostownik sterowalny trójfazowy
W celu zmniejszenia tętnień napięcia i prądu wyjściowego prostownika między układem prostowniczym, a obciążeniem montuje się odpowiednie filtry prostownicze. Najczęściej jest to właściwie dobrany kondensator lub dławik.
Znaczenie rozwiązań układów prostowniczych rośnie w kontekście zasilania urządzeń elektronicznych, które wymagają stabilnego źródła DC do prawidłowego funkcjonowania. Jak można zauważyć z tego opracowania najprostsze układy prostownicze opierają się na diodach, które przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku, co prowadzi do eliminacji negatywnej składowej sygnału AC.
Najczęściej stosowane układy prostownicze to prostowniki jednopołówkowe i dwupołówkowe.
Prostownik jednopołówkowy składa się z jednej diody, która przewodzi prąd tylko w jednej połówce cyklu AC, co skutkuje pulsującym prądem stałym. Jego prostota sprawia, że jest tani, ale również ma niską wydajność, ponieważ wykorzystuje tylko jedną połowę sygnału.
Prostownik dwupołówkowy, złożony z dwóch diod, pozwala na wykorzystanie obu położeń sygnału AC, co prowadzi do bardziej efektywnego procesu prostowania. Wytwarza on prąd stały o mniejszej pulsacji, co jest korzystne w zastosowaniach, gdzie stabilność napięcia jest kluczowa. Często łączy się go z filtrami, aby zminimalizować tę pulsację i uzyskać bardziej stabilne napięcie DC.
W bardziej zaawansowanych układach prostowniczych stosuje się również mostki prostownicze, które składają się z czterech diod ułożonych w formie mostka. Takie układy umożliwiają prostowanie prądu zarówno z dodatniego, jak i ujemnego zasilania, co czyni je bardziej uniwersalnymi i efektywnymi. Mostki prostownicze są szeroko wykorzystywane w zasilaczach, które wymagają stabilnych parametrów wyjściowych.
Podsumowując, układy prostownicze są niezbędnym elementem nowoczesnych systemów elektronicznych, przekształcając prąd zmienny w stały w sposób wydajny i skuteczny. Ich różnorodność oraz zastosowania w różnych dziedzinach technologii podkreślają ich znaczenie.
