ELEKTROTEHNIČKA ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA „Nikola Tesla“ BANJA LUKA
REFERAT IZ NASTAVNOG PREDMETA ELEKTROENERGETIKA TEMA: ISPRAVLJAČI
Učenik: Jovica Sivac Banja Luka, 05.04.2014.
Mentor: Ariana Stankovid
Sadržaj Uvod ........................................................................................................................................................ 1 Osnovni sklop .......................................................................................................................................... 2
Ispravljač naizmjenične struje ................................................................................................................. 3 Poluprovonički materijali za ispravljače. ............................................................................................... 3 Ispravljači o germanijuma i silicijuma ................................................................................................... 4 Poluprovonički materijali za tranzistore ............................................................................................... 4 Polutalasni ispravljač. .............................................................................................................................. 5 Punotalasni ispravljač ............................................................................................................................. 5
Ispravljač sa transformatorom sa srenjom tačkom .......................................................................... 6 Ispravljač sa Grecovim spojem . ........................................................................................................... 7 Filtri za ispravljače ................................................................................................................................... 7 Talasnost ................................................................................................................................................. 8 Faktor talasnosti.................................................................................................................................. 9
Mrežni filtri ........................................................................................................................................... 11
Uvod
Ispravljač je elektronički sklop koji služi za pretvaranje naizmjenične struje (napona) u istosmjernu. Najčešde
se
u
ispravljačima
koriste
polu provodničke
diode kao
glavni elektronički elementi kojima se vrši ispravljanje. Osim ioa, koriste se i tiristori. Pod
ispravljanjem izmjenične struje (napona) u istosmjernu često se porazumjeva i glađenje (filtraciju, smanjivanje valovitosti) izlaznog napona, te stabiliziranje napona. Često se u
sklopu ispravljača nalazi i transformator koji smanjuje napon na pogodnu vrijednost (npr. mrežnih 230V na 15V). Dva osnovna tipa ispravljaca su: polutalasni ispravljac I punotalasni ispravljac. Najprostija komponenta za ispravljanje, odnosno usmjeravanje naizmjenicnog napona je dioda.
Modemo redi i a su ispravljači statički pretvarači električne energije naizmenične struje u električnu energiju jednosmerne struje. Ispravljač služi kao jednosmjerni izvor napajanja koji ima zaatak a generiše jednosmerne konstantne napone, čija vrijednost ostaje u zadatim granicama pri promjeni struje potrošača. Jednosmjerni izvori koji se napajaju iz graske mreže naizmjeničnog napona sastoje se iz
transformatora, usmjerivačke diode i mrežnog filtra. Transformator, osim što služi za poešavanje naizmjeničnog napona na željenu vr ijenost, omogudava galvansko razvajanje kola jednosmjerne od naiz mjenične struje. Ispravljeni napon, koji na izlazu ionog kola ima
pulsirajudi karakter usrenjava se posrestvom mrežnog filtra. Između izlaznih krajeva filtra i potrošača često se umede stabilizator koji ima zaatak a izlazni napon učini nezavisnim o varijacija naizmjeničnog napona i potrošača.
Pri pretvaranju naizmjeničnog napona u jenosmjerni, naizmjenična struja trpi nelinearna izobličenja, faktor snage se smanjuje jer se javlja reaktivna snaga. Oblik naizmjenične struje zavisi o mrežnog filtra. Sa prostim naizm jeničnim filtrom struja ima impulsni oblik, dok je sa L filtrom četvrtastog oblika. Stabilizator napona se grai kao sistem sa jakom povratnom spregom koji se napaja iz izvora nestabilnog napona, pri čemu se kao ulazni signal vezuje jednosmerni napon velike stabilnosti.
1
Osnovni sklop Za normalan rad elektroni čki sklopovi trebaju istosmjerni napon napajanja. U tu se svrhu naizmjenični napon mreže transformiše na potrebnu vrijednost i zatim ispravlja. Ispravljanje se obavlja spojevima ispravljačkih dioda koji se nazivaju ispravlja čki sklopovi, krade ispravljači (engl. rectifier circuits, njem. Gleichrichterschaltungen). Ispravlja čki spojevi mogu biti polutalasni i i punotalasni. Za dobijanje visokih napona s pomodu niskonaponskih elemenata upotrebljavaju se umnoživači napona (engl. voltage multipliers, njem. Spannungsvervielfacher). U opštem slučaju ispravljač sarži: 1. mrežni transformator; 2. blok ispravljačkih elemanata, diode; 3. filtar, za izravnavanje, „peglanje“, jednosmernog napona; 4. i naravno priključak za potrošač. Uloga mrežnog transformatora je da prilagodi napon
mreže na potreban nivo
jednosmjernog potrošača, ali i da izvrši galvansko odvajanje izlaznog jednosmernog napona od mreže. Tip transformatora se oređuje na osnovu izlaznog napona i snage koja se kroz njega prenosi. Funkcija
bloka
jednosmerni
ispravljačkih elemenata je pretvaranje prostoperioičnog napona u
pulsirajudi
napon.
Njegov
rad
se
zasniva
na
ispravljačkom
svojstvu poluprovoničkih dioda. Filtri u ispravljačima imaju zadatak da iz jednosmjernog pulsirajudeg napona izdvoje konstantnu komponentu srednju vrijednost. Uloga filtara se može formalno objasniti preko razlaganja izlaznog signala sa ispravljačkog bloka u Furijeov red, tako da niskopropusni filtar propusti samo konstantni član. U fizičkom smislu se uloga filtara može objasniti u smislu da je filtar sastavljen od akumulacionih elemenata koji snabdijevaju potrošač energijom kada napon sa ispravljačkog bloka padne na malu vrijednost. Naprednije izvedbe
ispravljača u sebi mogu imati i stabilizator izlaznog napona ili struje.
2
Ispravljač naizmjenične struje Osnovni element ispravljača naizmjenične struje u istosmjernu je poluvoička dioda, jer ima svojstvo da propušta struju samo u jednom smjeru (AK), i to kada je na njenoj anodi (A)
vedi napon (+), a na katodi (K) manji napon (-).
+
A
K
-
-
A
K
+
X Struja teče
Struja NE
teče
Izmjenični napon Vrste istosmjerne struje: +U
+
+
220 V
t
-
˜
12V
+I
˜
+
Trošilo
0
treba dobiti
TRANSFORMATOR:
struja t
na kojem
-U
Poluvalna istosmjerna
+
+I
istosmjerni napon i struju
+
+
-sastoji se od 2
Punovalna istosmjerna
+
struja t
zavojnice
+I
-služi za smanjenje ili
Prava (filtrirana)
+
povedanje izmjeničnog napona
istosmjerna struja t
Poluprovodnički materijali za ispravljače
Primjenjuju se tri vrste ispravljača (usmjerenih otpornika):
ispravljači sa selenom (Se),
ispravljači s bakrenim oksiulom (Cu 2O),
ispravljači o germanija (Ge) i silicija (Si).
Selenski ispravljač je kombinacija polu provodnika (selena) i kovine. Namjena je ispravljanje naizmjenične struje. U propusnom smjeru (selen - pokrovna elektroa s niskim talištem, SNT) otpor je malen, a u nepropusnom smjeru
je vrlo velik. Poatak o ispravljačkom
djelovanju iskazuje faktor usmjerenosti: 3
faktor usmjerenosti =
gdje je Ipr električna struja u propusnom smjeru, a Izap električna struja u izlaznom smjeru.
Selenski ispravljač je bolji ispravljač ko vedih napona. Dozvoljena rana temperatura je 75 85 °C. Faktor usmjerenosti selenskih ispravljača je do 10000. Kod manjih napona bolji je
ispravljač s bakrenim oksiulom, te se najčešde koristi u mjernoj tehnici. Dozvoljena radna temperatura je 50 °C. Faktor usmjerenosti varira od 500 - 10000.
Ispravljači od germanijuma i silicijuma Ispravljači o germanijuma i silicijuma - kristalne diode (poluv provoničke diode) nastaju spajanjem dva tipa poluvprovodnika, N i P tipa, unutar istog kristala. Tako nastaje PN spoj.
Na graničnoj plohi olazi o izrazitog skoka potencijala. Visina potencijalne barijere može se mijenjati vanjskim naponom. Zavisno o polaritetu napona može se povedati ili smanjiti potencijalna barijera, onosno može se poved ati ili smanjiti prelazni otpor. Zbog toga nastaje zavisnost strujno-naponske karakteristike kristalne diode o polaritetu napona,
onosno izražen je efekt ispravljanja. Ka je N kraj priključen na negativni, a P kraj na pozitivni napon PN spoj je propusno polarizovan i taa je otpor malen, rea veličine Ω . Kad
je polaritet suprotan PN spoj je u zapornom stanju, a otpor je rea veličine MΩ . Izrađuju se i za slabe struje, ali i za velike. Germanijeve diode mogu biti i za struje od nekoliko stotina
ampera. Ko manjih struja hlae se zrakom, a ko vedih struja voom.
Poluprovodnički materijali za tranzistore Germanijum i silicijum i galijev-arseni su poluprovonički materijali za izradu tranzistora. Radna temperatura germanijevih tranzistora je do 70 °C, a silicijevih do 150 °C.
4
Polutalasni ispravljač U polutalasnom ispravljanju samo se pozitivna ili samo negativna poluperioda naizmjeničnog
napona propušta kroz ispravljač, što zavisi o polarizacije ioe. Time se na izlazu obija svaka ruga poluperioa sa nultom vrijenošdu između. Ovakav tip ispravljača se koristi kaa se želi uštea na materijalu. Mana mu je što otežava filtriranje, pa se stoga primenjuje samo za izuzetno male snage potrošača, kojima ne smeta talasast napon. Polutalasni ispravljac jos nazivamo i jednostrani jer ispravlja samo naizmjenicni napon u toku jedne poluperiode. Uz zanemarivanje pada napona na diodi kada je provodna i inverzne struje kada je neprovodna napon na potrosacu je u toku jedne poluperiode jednak naponu izvora, dok je u drugoj poluperiodi nula. Ukratko: -
koristi jednu diodu
-
propušta 1 poluperiou izmjeničnog napona
+
-
+U
+I
+
+ -
220 V
t
˜
12V
˜
- X
+
+
I=0
+ t
-U
Punotalasni ispravljač Punotalasno ispravljanje se izvodi pomocu dvije diode, ko je su vezane za dva protivfazna generatora, ili sa cetiri diode vezane na generator s jednostrukim izlaznim prikljuckom
5
-
koristi vije ioe (ili četiri ioe -Graetzov spoj)
-
propušta obje poluperioe izmjeničnog napona, ali u istom smjeru!
(+)
(-) +I
+U
+
+ -
+
220 V
t
˜
+
+ t
-U
(-) (+)
Ispravljač sa transformatorom sa srednjom tačkom Ko ovog ispravljača na izlazu se obijaju obe poluperioe. Kaa je napon na sekunaru transformatora pozitivan, provodi dioda D1, a dioda D2 je inverzno polarisana i ne provodi. Kada je napon na sekundaru transformatora negativan, provodi dioda D2, dok je dioda D1 inverzno polarisana. Međutim, u slučaje negativne poluperioe, ioa D2 je tako vezana
za potrošač, a tu poluperiou potrošač vii kao pozitivnu.
Dioa, upotrebljena u ovom ispravljaču mora a ima maksimalnu nominalnu struju vedu o najvede očekivane struje potrošača. I probojni napon vedi o vostruke maksimalne amplitude napona na sekundaru transformatora. Prvi us lov štiti iou o termičke
estrukcije, a rugi obezbeđuje funkcionisanje ispravljača tako što ioa ostaje neprovona pri inverznoj polarizaciji. Takođe se mora koristiti transformator sa va namotaja na sekunaru, što povedava cenu ispravljača.
6
Ispravljač sa Grecovim spojem I ovo je punotalasni ispravljač. Ko ovog ispravljača, u svakoj poluperioi, uvijek provoe po dvije diode.
Dioda upotrebljena u Grecovom spoju treba a ima maksimalnu nominalnu struju vedu o
najvede očekivane struje potrošača i probojni napon vedi o maksimalne amplitue napona na sekunaru transformatora. U onosu na prethoni tip ispravljača, Grec ov spoj ima brojne prednosti jer koristi transformator sa dvostruko manje navojaka na sekundaru i diode sa
vostruko manjim probojnim naponom. Mana je upotreba četiri ioe, ne zbog utroška materijala, ved zbog vostruko vedeg paa napona na ioama i vede disipacije snage, onosno zagrijavanja. To je pogotovu nepovoljno kaa se generišu mali jenosmerni naponi, jer se koeficijent korisnog dejstva ispravljača veoma smanjuje.
Filtri za ispravljače Polutalasni i punotalasni ispravljači su ovoljni za stvaranje jenosmerne struje, ali ni jean
ni rugi ne isporučuju potrošaču konstantnu jednosmernu struju. Da bi se dobila konstantna jednosmerna struja na izlazu mora se koristiti kolo za peglanje napona. Najjednostavniji oblik tog kola jeste sa kondenzatorom paralelno vezanim sa ispravljačkim blokom.
7
Dok napon na izlazu ispravljača raste, on puni konenzator i istovremeno isporučuje struju opteredenju. Nakon četvrtine perioe, kaa napon ispravljača ostigne maksimalnu vrijednost, kondenzator je napunjen do maksimalne vrijednosti. Nakon ovoga napon na
ispravljaču počinje a opaa. To izaziva pražnjenje konenzatora kroz opteredenje. Ako je kapacitivnost konenzatora ovoljno velika, konenzator de se sporije prazniti nego što
opaa napon na ispravljaču. Tako potrošač obija napajanje sa manjom „talasnošdu“. Ukoliko je kapacitivnost konenzatora veda to de talasanje napona biti manje. Zato se u ovim slučajevima najčešde koriste elektrolitski kondenzatori. Da bi se još više smanjila talasnost napona, može se koristiti P filtar. On se sastoji od kondenzatora i prigušnice.
Elektrolitski KONDENZATOR spaja se paralelno na izlaz
ispravljača (trošilo). Njegovim pražnjenjem obiva se relativno
prava
ispravljena
istosmjerna
struja.
+I
C
R
+
Ovo se zove FILTRIRANJE struje.
t
Talasnost Prilikom ispravljanja i filtriranja napona, nije u mogude u potpunosti potisnuti komponente izmjeničnog napona, tj. nije mogude obiti iealni istosmjerni napon, ved on ima neku valovitost. Valovitost je osciliranje vrijednosti napona oko srednje vrijednosti i defin iše se 8
kao omjer vrijenosti između va vrha i srenjeg napona. Valovitost ovisi o tipu ispravljača (bolja je, naravno, za punotalasne ), upotrebljenom filtru, te opteredenju ispravljača.
Valovitost za ispravljač s konenzatorom C za glađenje i optereden s otporom R: Gdje su: f - frekvencija na izmjeničnog napona n = 1 za poluvalni, 2 za punovalni ispravljač
Kućišta Greatzovog (mosnog) spoja dioda
Klasične primjene ispravljača su za ispravljanje naizmjeničnog mrežnog napona za elektronske uređaje koji za svoj ra zahtjevaju istosmjerni napon. Ispravljač obično predstavlja drugi stepen u realizaciji klasičnih istosmjernih napajanja - iza transformatora, a prije stabilizatora. Ispravljači se nalaze i kao samostalni uređaj, poznat po nazivom aapter
(AC/DC pretvarač). Faktor talasnosti Opisani ispravljaci su daleko od toga da mogu da se koriste kao baterije za napajanje pojacavaca, prije svega zbog toga sto je naizmjenicna komponenta suvise velika u odnosu na srednju vrijednost. Slicnost izmedju ispravljaca I baterije za napajanje je mjera kvaliteta ispravljaca. U te svrhe se kao pokazatelj definise parameter poznat po nazivu factor tal asnosti:
9
Gdje je Vsr srednja vrijednost ispravljenog napona, a V efektivna vrijednost naizmjenicne komponente ispravljenog napona. U slusaju jednostranog ispravljaca imamo: Srednja vrijednost ispravljenog napona na potrosacu:
Efektivna vrijednost ukupnog napona:
Kako je efektivna vrijednost naizmjenicne komponente talasa:
To je faktor talasnosti:
U slucaju dvostranog ispravljaca srednja vrijednost ispravljenog napona je dva puta veca nego kod jednostranog ispravljaca, tj. :
A efektivna vrijednost ukupnog napona:
√ 10
Mrežni filtri Za smanjivanje talasnosti napona na izlazu iz ispravlja ča koriste se filtri propusnici niskih učestanosti. Ispravljeni napon pored jednosmjerne komponente sadrzi naizmjeni čnu komponentu koju cini zbir signala harmonijskih u čestanosti različitih amplituda i faza. Posto se ispravljači koriste kao baterije za napajanje koje u principu daju veliku struju filtri se sastoje od nedisipativnih elemenata, tj. od kondenzatora i induktivnosti. Sto je broj nezavisnih reaktivnih elemenata u filtru veci to je i slabljenje komponenata visih u čestanosti vede. Najjednostavnije strukture su prost kapacitivni i prost induktivni filtar. Kombinacijom ova va filtra obijaju se L filtar i П filtar.
11
