Nachádzate sa tu
Kapitola 2
2. DIÓDA AKO USMERŇOVACÍ PRVOK – VENTIL V USMERŇOVAČOCH, ZDROJOCH A MENIČOCH NAPÄTIA
Základnou funkciou diódy je usmerňovací (ventilový) účinok – usmernenie striedavého napätia. Jednu skupinu diód tvoria diódy pre sieťové usmerňovače určené pre usmerňovanie striedavých napätí sieťovej frekvencie 50 Hz alebo technických frekvencií (stovky Hz – v meničoch) a pre veľké prúdy (až desiatky A).
2.1 Dióda v usmerňovačoch, zdvojovačoch a násobičoch napätia
Zdvojovače resp. násobiče napätí sú v podstate viacnásobné usmerňovače vytvárajúce dvoj resp. viacnásobne väčšie jednosmerné napätie ako je amplitúda vstupného striedavého napätia, bez použitia transformátora.
Klasifikácia usmerňovačov:
- obsahujúce transformátor alebo bez transformátora
- jednocestné alebo dvojcestné (polvlnné a celovlnné)
- so záťažou R,C,R paralelne s C, s tlmivkou L
- viacnásobné (zdvojovače a násobiče)
Kľúčové vlastnosti a problémy usmerňovačov:
- stredný prúd a anódová strata, návrh vyhladzovacích kondenzátorov
- nárazový prúd jednorázový pri pripojení zdroja na sieť v okamžiku amplitúdy,
v zapojeniach s vyhladzovacím kondenzátorom
- zvlnenie usmerneného napätia
- komutačný prúd diódy – rušenie a odrušenie, presýtenie jadra transformátora
u jednocestného usmerňovača
- problém ukostrenia vinutí transformátora a výstupných svoriek zdroja, stotožňovanie
potenciálu zápornej svorky vo viachladinových zdrojoch.
Zapojenia usmerňovačov sú všeobecne známe, preto ich nebudeme podrobnejšie popisovať. Uvedieme len el. schémy zapojenia, časové priebehy obvodových veličín, základné vzorce a oblasti použitia zapojení.
Poznámka: V skutočných zapojeniach usmerňovačov hlavne v obvodoch s indukčnosťou, sa diódy premosťujú keramickými kondenzátormi s kapacitou rádu nF, čím sa eliminujú rušivé „splodiny“ vznikajúce pri usmerňovaní prúdu. V tejto práci sa v elektrických schémach nekreslia, podobne ako poistky a ďalšie vedľajšie prvky.
Usmerňovač jednocestný s odporovou záťažou
Obr. 2.1.1 Usmerňovač jednocestný s odporovou záťažou
U2 = U1 - UD 
U1 
UR = U1M
U10 - amplitúda u1(t) v stave naprázdno
R f - odpor fázy
UR - max. napätie diódy v závernom smere – záverné napätie
Príklad použitia zapojenia diódy ako regulačného prvku na zmenšenie výkonu záťaže na polovicu (takmer bezstratový ovládací obvod):
S - spínač doplnený diódou
Pri zopnutom spínači č.2 je na záťaži 50% výkon.
Obr. 2.1.2 Zapojenie diódy ako regulačného prvku na zmenšenie výkonu
Spotrebič môže byť tepelného alebo svetelného charakteru (nie motorický).
Usmerňovač jednocestný s kapacitnou záťažou (vyhladzovacím kondenzátorom) a zanedbateľným odberom prúdu
Obr. 2.1.3 Usmerňovač jednocestný s kapacitnou záťažou
u2(t) = U1M , UR = 2U1M , UC = U1M , IN = U1M / Rf
Z hľadiska bezpečnosti je ukostrená jedna svorka sekundárneho vinutia transformátora.
IN - nárazový prúd pri pripojení usmerňovača v okamžiku špičky napätia v sieti. Dióda musí spĺňať podmienku IFM > IN , kde IFM je hodnota krátkodobého medzného prúdu diódy a Rf je tzv. odpor fázy.
Rf = Rvýsttr+RD+R0, kde R0 je umelý odpor pre obmedzenie prúdového nárazu, RD je stredný odpor diódy a Rvýsttr je výstupný odpor obvodu transformátora. Zapojenie s transformátorom je vhodné iba pre malé prúdy, pretože u jednocestného usmerňovača je transformátor pretekaný prúdom len jednej polarity – jadro je jednosmerne presýtené.
Usmerňovač jednocestný s vyhladzovacím kondenzátorom a odporovou záťažou
Obr. 2.1.4 Usmerňovač jednocestný s vyhladzovacím kondenzátorom a odporovou záťažou
Toto zapojenie je vhodné pre verziu bez transformátora. S transformátorom iba pre malé prúdy.
u2(t) je približne rovnaké ako U0 resp. U1M;
I0 , U0 - stredné hodnoty veličín,
UR – záverné napätie diódy UR = 2U1M
IM=(6÷8).I0, Uc=U1M, 
[ %, V ] ... činiteľ zvlnenia
Usmerňovač jednocestný s indukčnou záťažou
Obr. 2.1.5 Usmerňovač jednocestný s indukčnou záťažou
Vyhladenie usmerneného priebehu vytvára buď priamo indukčnosť záťaže alebo prídavná
cievka - tlmivka L. Filtračný účinok indukčnosti sa prejaví v súčinnosti so zapojením kondenzátora (LC filter) alebo pomocnej vybíjacej diódy.
Usmerňovač jednocestný paralelný
Obr. 2.1.6 Usmerňovač jednocestný paralelný
Paralelný usmerňovač sa v uvedenej podobe pre sieťové zdroje nepoužíva, pretože zaťažuje neužitočne zdroj (vstup) veľkým prúdom pri zápornej polvlne. Paralelný usmerňovač s kondenzátorom - paralelný detektor, sa požíva vo vf meracej technike.
Usmerňovač 3 fázový jednocestný s dvojpólovou odporovou záťažou,
uzlové zapojenie
Obr. 2.1.7 Usmerňovač 3 fázový jednocestný s dvojpólovou odporovou záťažou
Usmerňovač dvojcestný s transformátorom s vyvedeným stredom
Obr. 2.1.8 Usmerňovač dvojcestný s transformátorom s vyvedeným stredom
UR= 2.U1M , U2M =U1M –UdU1M , IM (3 ÷ 4)I0
Výhody tohto zapojenia oproti mostíkovému:
– menší počet diód
– menší úbytok napätia na diódach
– možnosť ukostriť stred vinutia transformátora
Nevýhoda:
– dvojnásobný počet závitov sekundárneho vinutia transformátora (pre rovnaké napätie
a výkon mostíkového zapojenia)
Usmerňovač dvojcestný mostíkový
Časové diagramy obvodových veličín sú ako v zapojení 2.1.8
U2 =U1M – 2UD U1M
Obr. 2.1.9 Usmerňovač dvojcestný mostíkový
Výhody oproti predchádzajúcemu zapojeniu:
– menší počet závitov sekundárneho vinutia transformátora
– diódy sú namáhané menším záverným napätím
Nevýhody zapojenia:
– nie je možné súčasne ukostriť jednu svorku transformátora a zápornú svorku zdroja
Usmerňovač mostíkový so symetrickým výstupným napätím
U = U1M (voči zemi)
UAB = 2U = 2U1M
Obr.2.1.10 Usmerňovač mostíkový so symetrickým výstupným napätím
Výhody zapojenia:
– oproti predchádzajúcemu zapojeniu možno ukostriť stred vinutia transformátora a súčasne
stred výstupu zdroja
Usmerňovač 3 fázový dvojcestný s dvojpólovou odporovou záťažou
Obr.2.1.11 Usmerňovač 3 fázový dvojcestný s dvojpólovou odporovou záťažou
V usmerňovačoch napájaných z 3 fázovej siete možno získať napätie s malým zvlnením aj bez vyhladzovacieho kondenzátora.
Zdvojovač napätia sériový
U2 = 2U1M
Obr.2.1.12 Zdvojovač napätia sériový
Zdvojovač napätia paralelný
U2 = 2U1M
U = U1M
UAB = 2U
Obr.2.1.13 Zdvojovač napätia paralelný
Toto zapojenie sa často požíva ako zdroj symetrického napätia +U/-U.
Násobič napätia kaskádový
U2 4U1M
Obr.2.1.14 Násobič napätia kaskádový
Pozn.: Vo väčšine zapojení usmerňovačov sa používajú kondenzátory s veľkou kapacitou (elektrolytický s predpísanou polaritou).
2.2 Diódy v meničoch napätia
Meniče jednosmerného napätia sú obvody, ktoré menia jednosmerné napätie určitej hodnoty na jednosmerné napätie inej hodnoty (aj väčšej). Pri zmene veľkosti jednosmerného napätia sa využíva premena vstupného jednosmerného napätia na striedavé, ktoré sa potom usmerní. Frekvencia striedavého napätia býva v rozsahu x ÷ xx kHz, preto sa v meničoch používajú rýchlejšie spínacie diódy s vysokým záverným napätím. Meniče jednosmerného napätia sa môžu používať ako funkčne
a konštrukčne samostatné zariadenia alebo tvoria súčasť impulzne regulovaných zdrojov. Schémy neobsahujú obvody riadenia.
Blokujúci menič – princíp
Obr.2.2.1 Blokujúci menič
Spínač býva v skutočných obvodoch spínací tranzistor. Jedna perióda cyklu pozostáva z času zopnutia tA a času vypnutia tB. V čase tA, keď spínač pripojí na obvod napätie zdroja U1, rastie prúd cievky iLA v obvode U1–S–L, dióda je zatvorená, prúd do záťaže dodáva kondenzátor (vybíja sa, jeho napätie klesá). V časovom intervale tB je S rozopnutý, pri rozpínaní sa na cievke indukuje protinapätie Ui, ktoré vyvolá prúd iLB. Prúdom iLB sa nabíja kondenzátor a výstupne napätie rastie. Výstupné napätie má opačnú polaritu ako vstupné.
U0 = U1 (tA/tB)
Priepustný menič – princíp
U0 = U1.(tA / T)
Obr.2.2.2. Priepustný menič
Pri zopnutom spínači S tečie zo zdroja U1 cez cievku L prúd iLA, ktorým sa nabíja kondenzátor C (čas tA). Pri rozopnutom stave sa energia magnetického poľa cievky L prejaví tak, že indukuje napätie Ui, ktoré spôsobí prúd iLB v obvode: Ui(L)–C–D. Smer oboch prúdov ako aj napätí U2 a Ui je rovnaký.
Praktické prevedenie priepustného meniča so spínacím tranzistorom
a impulzným transformátorom
V elektrickej schéme nie je nakreslený riadiaci obvod spínania tranzistora.
Obr.2.2.3 Priepustný menič so spínacím tranzistorom a impulzným transformátorom
LD je tzv. demagnetizačné vinutie impulzného transformátora IT, spolu s diódou D0 (demagnetizačnou) umožňuje navrátenie elektrickej energie magnetického poľa transformátora do siete po zatvorení tranzistora T - zabraňuje jednosmernému presýteniu transformátora IT. Keď je tranzistor zopnutý, indukuje sa na vinutí L2 napätie, ktoré spôsobí prúd v obvode: L2–D1–L–C || RZ. Kondenzátor sa nabíja. Po rozopnutí tranzistora sa na L2 indukuje opačné napätie, ale nespôsobí prúd cez RZ, pretože je ním zatvorená dióda D1. Vznikne (resp. pokračuje) prúd dobíjajúci kondenzátor a záťaž v obvode od indukovaného protinapätia tlmivky Ui: L–C || RZ–D2–L. Tento obvod je elegantným príkladom rôznorodých funkcií diód - ako ventilov.
Dvojitý protitaktný menič
Obr.2.2.4 Dvojitý protitaktný menič
Je to priepustný menič s dvojicou protitaktne pracujúcich spínacích tranzistorov a dvojitým primárnym a sekundárnym vinutím transformátora. Nepotrebuje demagnetizačné vinutie a diódu.
Dióda ako ventil pri paralelnom radení zdrojov
Ak sa radia paralelne reálne napäťové zdroje s rôznymi parametrami Ui–Ri, vzniká už aj v stave naprázdno vyrovnávajúci stratový prúd Iv a výkonové straty. Diódy zamedzujú vznik vyrovnávajúcich prúdov.
Obr. 2.2.5 Dióda ako ventil pri paralelnom radení zdrojov