Warto przeczytać

Prostowniki prądu wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność zamiany prądu przemiennegoprąd przemiennyprądu przemiennego dostarczanego przez elektrownię, czy też wytwarzanego przez prądnice – na przykład w samochodach, na prąd jednokierunkowy. Prostownik jest także istotnym elementem powszechnie stosowanych zasilaczy w urządzeniach elektronicznych czy ładowarek do smartfonów. Praktycznie wszystkie powszechnie stosowane prostowniki w swoim działaniu wykorzystują właściwości diod półprzewodnikowych.

Działanie diody dobrze przedstawia charakterystyka prądowo - napięciowa, czyli zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia - Rys.1.

RyvDoh1jvImI5

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest układ współrzędnych. Układ współrzędnych jest prostokątny i narysowany czarnymi strzałkami. Pionowa oś skierowana jest w górę i przedstawia natężenie prądu, wielka litera I. Pozioma oś skierowana jest w Prawo i przedstawia napięcie wielka litera U. W układzie widoczna jest funkcja narysowana niebieską ciągłą linią. Dla napięcia o dużej wartości ujemnej funkcja rośnie prawie pionowo. Jest to zakres napięcia przebicia. Wraz ze zbliżaniem się napięcia przy wartościach ujemnych do zera funkcja jest prawie równoległa do osi napięcia. Wartość funkcji nadal rośnie. Jest to zakres napięcia zaporowego. Dla napięcia równego Zero wartość natężenia prądu również jest równa zero. Dla dodatnich wartości napięcia wartość natężenia rośnie wykładniczo. Jest to zakres przewodzenia.

Jak widać na wykresie, przebieg charakterystyki diody można podzielić na trzy zakresy:

I. Zakres przewodzenia, w którym natężenie pradu, już przy niewielkim napięciu – poniżej 1 V – zaczyna szybko rosnąć. Natężenie to osiąga wysokie wartości wraz ze wzrostem napiecia. Wielkość stosowanych w praktyce natężeń zależy od przeznaczenia diody i wynosi od kilku miliamperów w diodach stosowanych w urządzeniach elektronicznych, do kiloamperów w urządzeniach elektrotechnicznych. Natężenia, z jakimi spotykamy się w praktyce, mieszczą się w zakresie od około 1 A do kilkunastu amperów. Na przykład w ładowarkach do smartfonów natężenia mają wartości od około 1 A do około 5 A w tak zwanych szybkich ładowarkach. W prostownikach do ładowania akumulatorów samochodowych stosuje się natężenia do około 15 A.

II. Zakres zaporowy. Po zmianie kierunku napięcia przyłożonego do diody, przez diodę płynie bardzo mały prąd o natężeniu poniżej 10Indeks górny -6^-6 A, związany z przepływem tak zwanych nośników mniejszościowychnośniki mniejszościowenośników mniejszościowych. Natężenie prądu jest w tym zakresie ponad milion a nawet ponad miliard razy mniejsze niż w zakresie przewodzenia.

III. Zakres przebicia. Po osiągnięciu napięcia przebicia, które w zależności od rodzaju diody wynosi od kilku do kilku tysięcy wolt natężenie prądu gwałtownie rośnie, a wartość natężenia praktycznie nie zależy od przyłożonego napięcia.

Symbol graficzny diody pokazuje Rys.2.

R14BV0AlWQjuS

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest symbol graficzny diody. Na poziomym czarnym odcinku widoczne jest czarny trójkąt równoboczny, którego jeden z wierzchołków skierowany jest w prawo. Wiesz, kołek ten jest styczny w pionowym odcinkiem narysowanym czarną linią. Wskazywany przez wierzchołek w prawo oznacza kierunek przewodzenia prądu przez diodę.

W prostownikach prądu wykorzystywane są zakresy I – zakres dobrego przewodzenia i zakres II – zaporowy.

Efekt, jaki powoduje włączenie diody do obwodu prądu premiennego przedstawia schematycznie Rys.3.

R1AevyGoigAdM

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat układu elektrycznego. Schemat układu elektrycznego narysowany jest czarnymi liniami. Schemat układu elektrycznego widoczny jest w postaci poziomego prostokąta. Na lewej krawędzi układu widoczne jest źródło napięcia. Źródło napięcia widoczne jest jako okrąg o czarnej krawędzi i niebieskim wypełnieniu. W środku okręgu znajduje się kształt narysowany ciemną niebieską linią, przypominające sinusoidę. W układzie prąd płynie zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Na górnej krawędzi widoczny jest symbol diod skierowany w prawo. Symbol diody składa się z niebieskiego trójkąta równobocznego o czarnych krawędziach. Jeden z wierzchołków trójkąta równobocznego wskazuje kierunek w prawo. Wierzchołek ten jest styczny do pionowego odcinka narysowanego czarną linią. Na prawej krawędzi układu widoczny jest symbol odbiornika. Symbol odbiornika widoczny jest w postaci krzywej łamanej w kierunku pionowym. Odbiornik podpisano wielką literą R z indeksem dolnym wielka litera L. Po lewej stronie od źródła napięcia widoczny jest rysunek przedstawiający sygnał wchodzący do układu. Sygnał ten ma kształt sinusoidy. Tam, gdzie wartość funkcji jest dodatnia, zaznaczono symbol plus. Dla ujemnych wartości sinusoidy zaznaczono symbol minus. Po prawej stronie od odbiornika widoczny jest rysunek sygnału wychodzącego. Sygnał wychodzący ma kształt dodatniej części sinusoidy. Dodatnia część sinusoidę oznaczona jest znakiem plus. Ujemna część sinusoidy jest niewidoczna. Obecność diody w układzie zapewnia przejście tylko sygnału o dodatniej wartości napięcia.

R1MvHH3VXwCmB

Rys. 3a. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest symbol prądu przemiennego. Symbol prądu przemiennego składa się z okręgu o czarnej krawędzi i niebieskim wypełnieniu. Wewnątrz okręgu widoczna jest sinusoidalne krzywa narysowana ciemnoniebieskim kolorem.

RBSsMIfFLpFgx

Rys. 3b. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest symbol odbiornika. Odbiornik narysowany jest w postaci pionowej krzywej łamanej. Krzywa narysowana jest czarną linią i przypomina zęby piły. Odbiornik opisano wielką literą R z indeksem dolnym wielka liter L.

Po lewej stronie rysunku przedstawiony jest wykres ilustrujący zmiany w czasie wartości i kierunku napięcia wytwarzanego przez źródło prądu przemiennegoprąd przemiennyprądu przemiennego, a po prawej natężenia prądu płynącego przez odbiornik. Źródło prądu wytwarza tak zwane napięcie przemienne – zmieniające cyklicznie zarówno wartość jak i kierunek – cyklicznie zmieniają się bieguny źródła. Zmiany kierunku napięcia powodują, że przez połowę cyklu pracy napięcie na źródle jest zgodne z kierunkiem przewodzenia prądu przez diodę, a przez drugą połowę zgodne z kierunkiem zaporowym. Dlatego prąd w obwodzie płynie tylko przez połowę tego cyklu – gdy napięcie na źródle jest zgodne z kierunkiem przewodzenia diody. Ilustruje to wykres po prawej stronie rysunku.

Przedstawiony schemat ilustruje działanie tak zwanego przewodnika jednopołówkowego, w którym prąd płynie tylko przez połowę cyklu zmian prądu. Ten typ prostownika jest stosowany dosyć rzadko ze względu na duże pulsowanie prądu i wykorzystywanie tylko połowy czasu pracy źródła napięcia. Częściej wykorzystywane są tak zwane prostowniki dwupołówkowe, które dają prąd przez cały czas pracy źródła.

Jednym z częściej stosowanych układów prostowniczych jest układ czterech diod, nazywany mostkiem Graetza (Rys. 4.)

R1eu5k0AIjkfo

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat mostku Graetza. W centralnej części ilustracji widoczne jest obwód elektryczny narysowany w postaci kwadratu obróconego o czterdzieści pięć stopni. Na każdym z boków kwadratu znajdują się symbole diod. Symbol każdej diody składa się z trójkąta równoramiennego, którego jeden z wierzchołków jest równoległy do odcinka, na którym leży. Wierzchołek ten jest styczny do poprzecznego odcinka narysowanego czarną linią. Kierunek w symbolu diody wskazywane przez wierzchołek leżący na odcinku wskazuje kierunek przepływu prądu. Na górnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym jeden. Na dolnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym dwa. Na dolnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym trzy. Na górnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym cztery. Na górnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara. Na dolnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Wierzchołki obwodu oznaczono czarnymi kropkami. Do górnego i dolnego wierzchołka obwodu podłączone jest źródło napięcia przemiennego. Źródło napięcia przemiennego widoczna jest w postaci okręgu o czarnych krawędziach i błękitnym wypełnieniu. Wewnątrz okręgu widoczna jest sinusoidalna krzywa narysowana ciemnoniebieskim kolorem. Prawy i lewy wierzchołek obwodu podłączone. Odbiornik prądu widoczny jest w postaci pionowej krzywej łamanej, przypominającej zęby piły. Prawy wierzchołek obwodu podłączony jest do znaku plus na odbiorniku. Lewy wierzchołek obwodu podłączony jest do znaku minus na odbiorniku. Znak plus na odbiorniku znajduje się u góry. Znak minus na odbiorniku znajduje się u dołu. Przez układ płynie prąd o natężeniu, wielka litera I. Skierowany jest on od Plusa do minusa.

W przedstawionym układzie na wyjściu „plus” i „minus” napięcia nie zależy od „plusa” i „minusa” napięcia na źródle, a prąd przez odbiornik zawsze płynie w tę samą stronę. Schemat przepływu prądu w układzie, w zależności od znaków napięcia na źródle przedstawia Rys. 5.

RBddCIvBmzasC

Rys. 5a. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat mostku Graetza. W centralnej części ilustracji widoczne jest obwód elektryczny narysowany w postaci kwadratu obróconego o czterdzieści pięć stopni. Na każdym z boków kwadratu znajdują się symbole diod. Symbol każdej diody składa się z trójkąta równoramiennego, którego jeden z wierzchołków jest równoległy do odcinka, na którym leży. Wierzchołek ten jest styczny do poprzecznego odcinka narysowanego czarną linią. Kierunek w symbolu diody wskazywane przez wierzchołek leżący na odcinku wskazuje kierunek przepływu prądu. Na górnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym jeden. Na dolnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym dwa. Na dolnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym trzy. Na górnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym cztery. Na górnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara. Na dolnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Wierzchołki obwodu oznaczono czarnymi kropkami. Do górnego i dolnego wierzchołka obwodu podłączone jest źródło napięcia przemiennego. Źródło napięcia przemiennego widoczna jest w postaci okręgu o czarnych krawędziach i błękitnym wypełnieniu. Wewnątrz okręgu widoczna jest sinusoidalna krzywa narysowana ciemnoniebieskim kolorem. Prawy i lewy wierzchołek obwodu podłączone. Odbiornik prądu widoczny jest w postaci pionowej krzywej łamanej, przypominającej zęby piły. Prawy wierzchołek obwodu podłączony jest do górnego zacisku odbiornika. Lewy wierzchołek obwodu podłączony jest do Dolnego Zacisku odbiornika. Gałęzie obwodu biegnąca od lewego i dolnego rogu ilustracji do prawego i górnego rogu ilustracji narysowane są przerywanymi liniami. Oznacza to, że te elementy są wyłączone. Nad symbolem źródła napięcia przemiennego widać znak plus. Pod symbolem źródła napięcia przemiennego widać znak minus. W układzie prąd płynie zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. W górnej części obwodu kierunek przepływu prądu zaznaczono zielonymi strzałkami. W dolnej części obwodu kierunek prądu zaznaczono czerwonymi strzałkami.

RqqHEkl6zJh4b

Rys. 5b. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat mostku Graetza. W centralnej części ilustracji widoczne jest obwód elektryczny narysowany w postaci kwadratu obróconego o czterdzieści pięć stopni. Na każdym z boków kwadratu znajdują się symbole diod. Symbol każdej diody składa się z trójkąta równoramiennego, którego jeden z wierzchołków jest równoległy do odcinka, na którym leży. Wierzchołek ten jest styczny do poprzecznego odcinka narysowanego czarną linią. Kierunek w symbolu diody wskazywane przez wierzchołek leżący na odcinku wskazuje kierunek przepływu prądu. Na górnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym jeden. Na dolnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym dwa. Na dolnej i prawej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym trzy. Na górnej i lewej krawędzi obwodu widoczna jest dioda oznaczona wielką literą D z indeksem dolnym cztery. Na górnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara. Na dolnych krawędziach obwodu diody wskazują kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Wierzchołki obwodu oznaczono czarnymi kropkami. Do górnego i dolnego wierzchołka obwodu podłączone jest źródło napięcia przemiennego. Źródło napięcia przemiennego widoczna jest w postaci okręgu o czarnych krawędziach i błękitnym wypełnieniu. Wewnątrz okręgu widoczna jest sinusoidalna krzywa narysowana ciemnoniebieskim kolorem. Prawy i lewy wierzchołek obwodu podłączone. Odbiornik prądu widoczny jest w postaci pionowej krzywej łamanej, przypominającej zęby piły. Prawy wierzchołek obwodu podłączony jest do górnego zacisku odbiornika. Lewy wierzchołek obwodu podłączony jest do Dolnego Zacisku odbiornika. Gałęzie obwodu biegnąca od prawego i dolnego rogu ilustracji do lewego i górnego rogu ilustracji narysowane są przerywanymi liniami. Oznacza to, że te elementy są wyłączone. Nad symbolem źródła napięcia przemiennego widać znak minus. Pod symbolem źródła napięcia przemiennego widać znak plus. W układzie prąd płynie przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Prąd zawsze wypływa z bieguna dodatniego źródła (zielone strzałki), dopływa do pierwszego rozgałęzienia, z którego może popłynąć tylko przez jedną diodę, której kierunek przewodzenia jest zgony z tym prądem (DIndeks dolny 1₁ na Rys. 5a, DIndeks dolny 3₃ na Rys. 5b). Następnie w drugim rozgałęzieniu prąd kieruje się na odbiornik, ponieważ kolejna dioda jest ustawiona zaporowo. Po przepłynięciu przez odbiornik (czerwone strzałki) prąd płynie przez diodę, która doprowadza do ujemnego bieguna źródła.

Słowniczek

prąd przemienny

prąd przemienny

(ang.: alternating current, AC) charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. W żargonie technicznym nazwa prąd przemienny często oznacza po prostu prąd sinusoidalny.

R10hJLnVsPzBt

Ilustracja przedstawia rysunek, w którym widoczny jest prostokątny układ współrzędnych, narysowany czarnymi strzałkami. Oś pionowa układu skierowana jest w górę, a oś pozioma skierowana jest w prawo. W układzie widoczne są cztery funkcję prezentujące różne rodzaje zmienności prądu. Pierwsza funkcja narysowana jest kolorem zielonym i ma kształt sinusoidy. Jest to prąd przemienny. Druga funkcja narysowana jest kolorem czarnym. Jest ona pofalowana, ale tendencja wartości jest wzrostowa. Jest to prąd zmienny. Trzecia funkcja narysowana jest kolorem czerwonym. Jest to funkcja o wartości stałe i przedstawia prąd stały. Czwarta funkcja narysowana jest kolorem niebieskim. Przedstawia ona połączone części owalnych kształtów. Jest to prąd tętniący.