Warto przeczytać

Prostownik ma za zadanie zamienić napięcieNapięcie elektrycznenapięcie przemienne (sinusoidalnie zmienne) na stałe, czyli dokonać przekształcenia pokazanego na wykresie (Rys. 1.).

RkDnJ6yvgoUrC

Rys. 1. Na rysunku znajduje się wykres. Na osi poziomej odłożono czas w milisekundach, na osi pionowej napięcie w woltach. Wykres ma kształt sinusoidy o okresie 20 milisekund. Sinusoida przecina oś czasu w punktach 0, 10, 20 i 30 sekund. Maksymalna wartość napięcia to 325 woltów, minimalna minus 325 woltów. Przy sinusoidzie jest napis: „napięcie przemienne”. Oprócz sinusoidy narysowano poziomą linię prostą dla napięcia 230 woltów. Przy tej linii jest napis: „napięcie stałe”. Dolna część sinusoidy zostaje przeniesiona lub odbita względem osi OX

Najważniejszym elementem prostownika jest dioda (zobacz Rys. 2.).

R1aLy48PPzFXk

Rys. 2. Na ilustracji jest zdjęcie diody prostowniczej, która ma kształt małego walca, ułożonego poziomo, z przewodami wychodzącymi z obu stron. Przy prawej podstawie na obwodzie walca znajduje się jaśniejszy pasek, wskazujący polaryzację.

Dioda prostownicza, oznaczona symbolem przedstawionym na Rys. 3., jest elementem półprzewodnikowym, zwanym złączem p‑n, w którym fizycznie zetknięty jest półprzewodnik typu p z półprzewodnikiem typu n. Na granicy tych półprzewodników tworzy się bariera potencjału, która powoduje, że przepływ prąduPrąd elektrycznyprądu przez diodę możliwy jest tylko przy pewnej polaryzacji napięcia przyłożonego do diody.

R1GJIyCkWoOXE

Rys. 3. Na ilustracji znajduje się symbol diody prostowniczej. Jest to czarny trójkąt, którego pionowa podstawa znajduje się z lewej strony. Z podstawy trójkąta wychodzi pozioma linia symbolizująca przewód. Wierzchołek trójkąta, znajdujący się z prawej strony, styka się z pionowym odcinkiem, z którego też wychodzi pozioma linia symbolizująca przewód.

Rys. 4. obrazuje polaryzację diody w kierunku przewodzenia i w kierunku tzw. zaporowym, kiedy przez diodę nie płynie prąd.

RU5ucorqlYk0u

Rys. 4a. (po lewej) Na ilustracji znajduje się symbol diody prostowniczej, przedstawionej jako czarny trójkąt, którego pionowa podstawa znajduje się z lewej strony. Z lewej strony diody znajduje się znak plus, z prawej znak minus. Na poziomych przewodach z obu stron diody znajdują się strzałki skierowane w prawo, które symbolizują przepływ prądu. Pod rysunkiem zapisano natężenie prądu wielkie i.
Rys. 4b. (po prawej) Na ilustracji znajduje się symbol diody prostowniczej, przedstawionej jako czarny trójkąt, którego pionowa podstawa znajduje się z lewej strony. Z lewej strony diody znajduje się znak minus, z prawej znak plus. Na poziomych przewodach z obu stron diody brak strzałek. Pod rysunkiem zapisano równość: natężenie prądu wielkie i równa się zero.

Dioda przypomina swoim działaniem odcinający zawór hydrauliczny, blokujący przepływ wody w jednym kierunku. Na Rys. 5. przedstawiona jest idea takiego zaworu.

R7PoAFENwP32M

Rys. 5. Na ilustracji znajdują się 2 rysunki przedstawiające przekrój przez rurę z płynącą wodą z zaworem w postaci blachy zamocowanej u góry tak, że może odchylać się tylko w prawo. Z lewej strony pokazana jest sytuacja, gdy woda wpływa z lewej strony rury, zawór odchylony jest w prawo i woda przepływa przez rurę. Z prawej strony pokazana jest sytuacja, gdy woda wpływa z prawej strony rury, zawór jest zablokowany w pozycji pionowej przez niewielkie wybrzuszenie na dole rury i woda dalej nie przepływa.

Zastosujmy diodę prostowniczą w najprostszy sposób, w celu „wyprostowania” napięcia przemiennego. Włączmy diodę do obwodu tak, jak jest to przedstawione na schemacie (Rys. 6.).

R1DsJ2Udmam5i

Rys. 6. Ilustracja przedstawia schemat obwodu elektrycznego o kształcie prostokąta otwartego z lewej strony. Lewy bok prostokąta zastępuje pionowy odcinek, zakończony z obu stron strzałkami i opisany jako napięcie wejściowe wielkie U z indeksem dolnym we. Górny koniec pionowego odcinka oznaczono literą wielkie A, dolny koniec literą wielkie B. Pod literą wielkie U z indeksem dolnym we narysowano falistą linię symbolizującą napięcie zmienne. Na górnym poziomym przewodzie znajduje się symbol diody, czyli trójkąt z pionową podstawą z lewej strony i wierzchołkiem z prawej strony. Z końca przewodu wychodzi w dół drugi przewód o kierunku pionowym, na którym znajduje się odbiornik prądu, symbolicznie przedstawiony jako prostokąt. Dolny koniec prostokąta połączony jest przewodem z punktem wielkie B. Od obu końców prostokąta wychodzą w prawo poziome odcinki, między którymi narysowano pionowy odcinek, zakończony z obu stron strzałkami i opisany jako napięcie wyjściowe wielkie U z indeksem dolnym wy.

Przez diodę będzie płynął prąd wtedy, gdy punkt A będzie miał potencjał dodatni a B – ujemny. W przeciwnym przypadku prąd nie będzie płynął. Wobec tego napięcie na oporniku (napięcie wyjściowe) będzie miało przebieg przedstawiony na Rys. 7.

R1EBDpquTeUC3

Rys. 7. Na rysunku znajdują się 2 wykresy położone jeden pod drugim. Na osi poziomej obu wykresów odłożono czas. Na górnym wykresie na osi pionowej odłożono napięcie wejściowe, na dolnym wykresie - napięcie wyjściowe. Górny wykres ma kształt sinusoidy. Przez punkty przecięcia sinusoidy z osią czasu poprowadzono w dół pionowe linie przerywane, które przecinają oś czasu dolnego wykresu. Na dolnym wykresie znajdują się fragmenty sinusoidy w tych przedziałach czasu, w których na górnym wykresie funkcja przybiera wartości dodatnie. W przedziałach czasu, w których na górnym wykresie funkcja przybiera wartości ujemne, funkcja na dolnym wykresie ma wartość zero.

Daleko przebiegowi uzyskanego napięcia $U_{wy}(t)$ do napięcia stałego. Jest to jednak jakiś sukces, bo przynajmniej nie zmienia się znak napięcia. Wadą prostownika jedno‑połówkowego jest to, że część napięcia została „stracona”, co objawia się tym, że średnia mocMoc elektrycznamoc prądu wywołanego takim napięciem jest o połowę mniejsza, niż przy napięciu wejściowym (przy założeniu, że opór diody w kierunku przewodzenia jest zerowy).

Bardziej efektywne jest zastosowanie 4 diod tworzących tzw. mostek Gretza, przedstawiony na Rys. 8.

R1Uc33o0Vg6Dj

Rys. 8. Ilustracja przedstawia schemat obwodu elektrycznego zawierającego mostek Gretza. Mostek ma kształt kwadratu ustawionego tak, że przekątne kwadratu są skierowane poziomo i pionowo, a boki ukośnie. Na każdym z boków kwadratu znajduje się symbol diody, czyli trójkąt skierowany wierzchołkiem w prawo. Zmienne napięcie wejściowe wielkie U z indeksem dolnym we przyłożone jest do górnego i dolnego wierzchołka mostka. W chwili, gdy na górnym wierzchołku jest potencjał dodatni, prąd płynie przez diodę na górnym, prawym boku kwadratu, a dioda na dolnym, prawym boku spolaryzowana jest w kierunku zaporowym. Gdy na górnym wierzchołku jest potencjał ujemny, prąd płynie przez diodę na dolnym, prawym boku kwadratu. Napięcie wyjściowe wielkie U z indeksem dolnym wy odkłada się na odbiorniku prądu, który jest podłączony do lewego i prawego wierzchołka mostka.

Zastosowanie układu Gretza, który jest prostownikiem dwu‑połówkowym, powoduje przekształcenie napięcia wejściowego w napięcie $U_{wy}$ takie, jak na Rys. 9.

RIIvIWHmuI2UJ

Rys. 9. Na rysunku znajdują się 2 wykresy położone jeden pod drugim. Na osi poziomej obu wykresów odłożono czas. Na górnym wykresie na osi pionowej odłożono napięcie wejściowe, na dolnym wykresie - napięcie wyjściowe. Górny wykres ma kształt sinusoidy. Przez punkty przecięcia sinusoidy z osią czasu poprowadzono w dół pionowe linie przerywane, które przecinają oś czasu dolnego wykresu. Na dolnym wykresie we wszystkich przedziałach czasu wyznaczonych przerywanymi liniami, znajdują się fragmenty sinusoidy, które leżą nad osią czasu. Każda ujemna wartość napięcia z górnego wykresu, na dolnym wykresie została zamieniona na liczbę przeciwną.

Uzyskane napięcie wyjściowe nie jest jeszcze napięciem stałym – jest mocno pulsujące. Można jednak je wygładzić stosując równolegle z opornikiem kondensator. Wtedy uzyskamy napięcie o kształcie przedstawionym na Rys. 10.

R1JRZV9Z1JWUJ

Rys. 10. Na rysunku znajduje się wykres. Na osi poziomej odłożono czas. Na osi pionowej odłożono napięcie wyjściowe. Kolorem niebieskim przedstawiono funkcję, której wykres składa się z dwóch fragmentów sinusoidy, leżących nad osią czasu. Funkcja przedstawiona kolorem czerwonym ma następujący przebieg. Zaczyna się na osi napięcia nieco poniżej maksimum funkcji niebieskiej. Opadając wolno, dochodzi do wykresu funkcji niebieskiej, następnie pokrywa się z tym wykresem, aż do punktu maksimum. Od tego punktu jest funkcją wolno malejącą, aż dojdzie do kolejnego fragmentu wykresu funkcji niebieskiej. Dalej przebieg wykresu funkcji czerwonej powtarza się.

Słowniczek