Usměrňovač

Usměrňovač je elektrické zařízení, které se používá k přeměně střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný. Protože elektronické obvody ke své činnosti obvykle potřebují stejnosměrný proud a k distribuci elektrické energie se využívá proud střídavý, bývá usměrňovač součástí většiny elektrických přístrojů a zařízení spotřební elektroniky napájených z elektrické sítě. Usměrňovače se také v hojné míře používají v napájecích soustavách elektrických trakčních vozidel (kupř. pro pohon lokomotiv, tramvají, trolejbusů či vozů metra).^[1]^[2]

Typy usměrňovačů editovat

Rtuťový usměrňovač

V současnosti se používají téměř výhradně polovodičové usměrňovače na bázi křemíku, kterými byla ostatní zařízení prakticky vytlačena, i když není vyloučeno, že vzniknou nová zařízení založená na karbidu křemíku, jehož předpokládanou výhodou je možnost provozu při vyšší teplotě.

Obecně mohou být realizovány usměrňovače:

polovodičové (křemíkové, germaniové, selenové, …)
elektronkové
rtuťové

Pro průmyslové účely se na přeměnu střídavého na stejnosměrný proud používalo dříve také spojení elektromotoru a dynama - motorgenerátor (Ward Leonardovo soustrojí).

Z hlediska principu činnosti se rozlišují tři typy usměrňovačů:

neřízený usměrňovač (diodový)
řízený usměrňovač (tyristorový, polořízený nebo plně řízený)
aktivní (též pulzní) usměrňovač (na bázi IGBT tranzistorů)

Typ usměrňovače	Součástky	Výstupní napětí	Inverzní režim
neřízený	diody	nelze měnit	nemá
řízený	tyrisotry	lze snižovat	má - proudový střídač
pulzní	tranzistory a diody	lze snižovat i zvyšovat (až na dvojnásobek)	má - napěťový střídač

Z hlediska připojení na napájecí síť lze rozlišit usměrňovače

jednofázové (jednocestný/jednopulsní, dvoucestný/dvoupulsní)
třífázové (šestipulsní nebo dvanáctipulsní)
vícefázové

Nevýhodou klasických diodových nebo tyristorových usměrňovačů je, že odebírají ze sítě zkreslený nesinusový průběh proudu. Tuto nevýhodu řeší aktivní usměrňovače. Aktivní usměrňovače jsou sofistikovaná elektronická zařízení využívající pulsně šířkovou modulaci, mají ve srovnání s klasickými usměrňovači vyšší ztráty a vyšší hodnotu usměrněného napětí, ale umožňují rekuperaci.^[1]

Opak usměrňovače, tedy zařízení k přeměně stejnosměrného proudu na střídavý, je střídač.

Zapojení neřízeného usměrňovače editovat

Jednofázový jednocestný editovat

Jednofázový jednocestný usměrňovač propouští pouze jednu půlvlnu vstupního napětí. Má tudíž pouze poloviční účinnost a používá se především u zařízeních s velmi nízkým odběrem proudu. Jde o nejjednodušší zapojení usměrňovače, které vyžaduje pouze jednu diodu.

Velikost usměrněného napětí (zanedbá-li se úbytek napětí na diodě) je dána vzorcem:^[1]

$U_{DC}={\frac {\sqrt {2}}{\pi }}\cdot U_{AC}\approx 0,45\cdot U_{AC}$

kde:

U_DC – střední hodnota výstupního napětí (na zátěži R)
U_AC – efektivní hodnota vstupního napětí (na sekundárním vinutí transformátoru)

Jednofázový dvoucestný editovat

Dvoucestný usměrňovač propouští obě půlvlny vstupního napětí.

Pokud je usměrňovač napájen transformátorem s dvojitým sekundárním vinutím, lze jej realizovat pomocí dvou diod v tzv. uzlovém zapojení.

Nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače je Graetzův (Grätzův) můstek. Jde o zapojení využívající čtyři diody v můstkovém zapojení.

Velikost usměrněného napětí (zanedbá-li se úbytek napětí na diodách) je dána vzorcem:^[1]

$U_{DC}={\frac {2{\sqrt {2}}}{\pi }}\cdot U_{AC}\approx 0,9\cdot U_{AC}$

kde:

U_DC – střední hodnota výstupního napětí (na zátěži R)
U_AC – efektivní hodnota vstupního napětí (na sekundárním vinutí transformátoru, v případě uzlového zapojení na jeho jedné polovině)

Průběhy napětí: vstupní tři fáze (nahoře), výstup uzlového usměrňovače (uprostřed), výstup můstkového usměrňovače (dole)

Trojfázový editovat

Stejně jako v případě jednofázového napájení rozdělujeme trojfázové usměrňovače na uzlové a můstkové.

Uzlové zapojení lze použít pouze pokud je zdroj zapojen do hvězdy. Výhodou je, že postačí tři diody, nevýhodou je vyšší zvlnění (3 pulsy na periodu).

Trojfázový usměrňovač v uzlovém zapojení

Velikost usměrněného napětí (zanedbá-li se úbytek napětí na diodách) je dána vzorcem:^[3]

$U_{DC}={\frac {3{\sqrt {6}}}{2\pi }}\cdot U_{AC}\approx 1,17\cdot U_{AC}$

kde:

U_DC – střední hodnota výstupního napětí (na zátěži R)
U_AC – efektivní hodnota fázového vstupního napětí

Můstkové zapojení lze použít se zdrojem zapojeným do hvězdy i do trojúhelníka. Výhodou je nižší zvlnění (6 pulsů na periodu), nevýhodou je potřeba šesti diod.

Trojfázový usměrňovač v můstkovém zapojení

Velikost usměrněného napětí (zanedbá-li se úbytek napětí na diodách) je dána vzorcem:^[3]

$U_{DC}={\frac {3{\sqrt {2}}}{\pi }}\cdot U_{AC}\approx 1,35\cdot U_{AC}$

kde:

U_DC – střední hodnota výstupního napětí (na zátěži R)
U_AC – efektivní hodnota sdruženého vstupního napětí

Filtrační kondenzátor editovat

Jednofázový můstkový usměrňovač s filtračním kondenzátorem C1

Pro vyhlazení tepavého napětí se používá tzv. filtrační kondenzátor, jehož kapacita se určí ze vzorce:^[4]^[5]

$C\geq {\frac {I_{MAX}}{f\cdot (U_{MAX}-U_{MIN})}}$
kde:

I_MAX – maximální proud odebíraný zátěží
f - frekvence výstupního napětí (pro jednocestné usměrnění stejná jako vstupního napětí, pro dvoucestné zapojení dvojnásobná, pro trojfázové uzlové trojnásobná, pro trojfázové můstkové šestinásobná)
U_MAX – maximální hodnota výstupního napětí (maximální hodnota vstupního napětí snížená o úbytek na diodě/diodách)
U_MIN – minimální hodnota výstupního napětí, pod kterou nemá poklesnout

Pokud by byl kondenzátor připojen na výstup usměrňovače naprázdno (bez zátěže), došlo by k jeho nabití na maximální hodnotu a ta by zůstala konstantní. Je-li připojena zátěž, dochází k vybíjení kondenzátoru a poklesu napětí. Vhodnou volbou kapacity je dosaženo toho, že pro daný zátěžný proud napětí nepoklesne pod stanovenou mez.

Odkazy editovat

Reference editovat

↑ ^a ^b ^c ^d KŮS, Václav. Elektrické pohony a výkonová elektronika. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2005. ISBN 80-7043-422-8.
↑ PAVELKA, Jiří; ČEŘOVSKÝ, Zdeněk. Výkonová elektronika. 2. vyd. Praha: České vysoké učení technické, 2000. ISBN 80-01-02094-0.
↑ ^a ^b KOLÁŘ, Václav; VRÁNA, Václav. ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY [online]. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO [cit. 2024-01-23]. Dostupné online.
↑ HAMMERBAUER, Jiří. Elektronické napájecí zdroje a akumulátory. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 1998. ISBN 80-7082-411-5.
↑ Smoothing and Filter Capacitor Calculator [online]. [cit. 2024-01-26]. Dostupné online.

Související články editovat

Externí odkazy editovat

Obrázky, zvuky či videa k tématu usměrňovač na Wikimedia Commons
Slovníkové heslo usměrňovač ve Wikislovníku

[:0-1] KŮS, Václav. Elektrické pohony a výkonová elektronika. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2005. ISBN 80-7043-422-8.

[2] PAVELKA, Jiří; ČEŘOVSKÝ, Zdeněk. Výkonová elektronika. 2. vyd. Praha: České vysoké učení technické, 2000. ISBN 80-01-02094-0.

[:1-3] KOLÁŘ, Václav; VRÁNA, Václav. ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY [online]. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO [cit. 2024-01-23]. Dostupné online.

[4] HAMMERBAUER, Jiří. Elektronické napájecí zdroje a akumulátory. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 1998. ISBN 80-7082-411-5.

[5] Smoothing and Filter Capacitor Calculator [online]. [cit. 2024-01-26]. Dostupné online.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]