PROSTOWNIK JEDNO I DWUPOŁÓWKOWY

Jednym z najczęstszych i najprostszych zastosowań diody jest wykorzystanie jej jako prostownika.
Prostownik zamienia prąd przemienny, czyli taki, który płynie na zmianę w dwóch kierunkach na prąd jednokierunkowy. Często o diodach mówi się "prostownik" mając na myśli takie właśnie zastosowanie.

Prostownik jednopołówkowy

Na rys. 3.9 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. U_g jest źródłem napięcia przemiennego, a R_L jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) źródłem napięcia wejściowego U_g jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci 220V 50Hz, które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak, więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na obciążeniu U_L wygląda tak jak na rys. 3.10 (przebieg czerwony). Jak widać przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy U_g>0.6V). Można, więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie U_L występuje, więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego U_g.

rys. 3.9

rys. 3.10

Prostownik dwupołówkowy

Na rys. 3.11 przedstawiony jest inny układ prostownika. Jest to dwupołówkowy układ mostkowy. Tak zwany mostek złożony jest z diod D1, D2, D3, D4. Przebiegi napięcia wejściowego U_g i wyjściowego U_L przedstawione są na rys. 3.12.

Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia R_L, dalej poprzez diodę D3 do źródła U_g. Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D2 do obciążenia R_L jak widać zachowując ten sam kierunek przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a następnie poprzez diodę D4 z powrotem do źródła U_g. W efekcie na wyjściu układu otrzymamy napięcie wyprostowane dwupołówkowo, co widać na przebiegu z rys. 3.12 (przebieg czerwony). Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach. Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla obu kierunków sygnału wejściowego, z wejściem są połączone szeregowo dwie diody. Dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie U_g musi być większe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (U_g>2·0.6V). Warto o tym pamiętać szczególnie przy projektowaniu zasilaczy.

rys. 3.11

rys. 3.12

Prostownik w zasilaczu sieciowym

Prostownik jednopołówkowy czy dwupołówkowy w takich postaciach jak przedstawione na rys. 3.9 i 3.11 nie mają w zasadzie praktycznego zastosowania gdyż napięcie otrzymywane na wyjściu nie zmienia wprawdzie kierunku lecz ma bardzo duże zmiany jeśli chodzi o wartość napięcia - zmiany te są nazywane tętnieniami.
Aby otrzymać napięcie stałe również co do wartości należy je wygładzić, a w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy. Filtr ten najczęściej ma postać kondensatora elektrolitycznego (czasami można zastosować pomiędzy mostkiem, a kondensatorem mały rezystor dla ograniczenia prądu).

Przykład zastosowania prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym przedstawiony jest na rys. 3.13. Źródłem napięcia zmiennego jest napięcie sieciowe obniżane na transformatorze sieciowym. Kondensator filtrujący (wygładzający) C dołączony jest równolegle do obciążenia R_L. Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość rozładowywania zależy od stałej czasowej R_L·C. Przebieg napięcia wyjściowego U przedstawiony jest na rys. 3.14. Kolorem czerwonym zaznaczony jest kształt napięcia na wyjściu prostownika bez kondensatora filtrującego C, a kolorem niebieskim napięcie na wyjściu z dołączonym kondensatorem. Napięcie tętnień U_t równe jest DU. Aby zapewnić małą amplitudę tętnień to wartość kondensatora C dobiera się tak, aby był spełniony warunek

R_L·C>>1/f

gdzie f jest częstotliwością tętnień - w tym przypadku jest to 100Hz (częstotliwość napięcia sieciowego jest równa 50Hz). Warunek ten oznacza, że czas, jaki upływa między następującymi po sobie doładowaniami kondensatora jest znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu rozładowania.

Aby obliczyć wartość międzyszczytową napięcia tętnień (na rys. 3.14 oznaczona jako DU) wystarczy zajrzeć do działu Elementy RLC i przypomnieć sobie skąd się bierze wzór:

DU=(I/C)·Dt

Dla

Dt=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe

Dt=½T=1/2f - prostowanie dwupołówkowe

gdzie T jest okresem napięcia sieciowego (20ms), a f jego częstotliwością (50Hz), otrzymuje się następujące wzory na wartość napięcia tętnień:

odpowiednio dla prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego. Prąd I_L jest prądem obciążenia.
Oczywiści powyższe wzory są pewnym przybliżeniem, ale z praktycznego punktu widzenia zupełnie wystarczającym i przy ich pomocy będziesz mógł wyliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym, zakładając oczywiście dopuszczalną wartość napięcia tętnień i maksymalny prąd obciążenia.

rys. 3.13

Prostownik jedno i dwupołówkowy. Strona 2

---