Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

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. Zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia.

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 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. Symbol graficzny diody, grot strzałki wskazuje kierunek przewodzenia prądu.

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. Wpływ diody na przebieg prądu w obwodzie zasilanym źródłem prądu przemiennego.
R1MvHH3VXwCmB
Rys. 3a. Źródło prądu przemiennego
RBSsMIfFLpFgx
Rys. 3b. Opornik – odbiornk prądu

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. Mostek Graetza.

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. Schemat przepływu prądu przez mostek Graetza w zależności od znaków napięcia na źródle.
RqqHEkl6zJh4b
Rys. 5b. Schemat przepływu prądu przez mostek Graetza w zależności od znaków napięcia na źródle.

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 1 na Rys. 5a, DIndeks dolny 3 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
Rys. Rodzaje zmienności prądu.
nośniki mniejszościowe
nośniki mniejszościowe

(ang.: minority charge carriers) nośniki prądu w półprzewodnikach domieszkowych, których źródłem są atomy macierzyste półprzewodnika a nie atomy domieszek. Atomy domieszek są źródłem nośników dominujących - większościowych w danym typie półprzewodnika: elektronów w typie n i dziur w typie p.