prostowniki

Wstęp
Około 25-30% wytwarzanej przez elektrownie energii elektrycznej zostaje „wyprostowane”,
czyli zamienione w prąd jednokierunkowy zwany inaczej stałym w celach przemysłowych (np.
Elektrochemia), do trakcji elektrycznej i do zasilania urządzeń elektronicznych.
Proces prostowania realizuje się w urządzeniach prostowniczych, prostownikach.
Podstawowymi elementami prostowników są elektryczne wentyle, elementy przewodzące prąd w
jednym kierunku, uniemożliwiające całkowicie bądź w bardzo dużym stopniu przepływ prądu w
kierunku przeciwnym.
Moce wytwarzane z urządzeń prostowniczych są bardzo rozmaite od ułamków wata aż do
gigawatów. Co za tym idzie napięcia i prądy odbierane z tych urządzeń mają równie wielkie
rozpiętości.
Układ zasadniczy prostownika
1 Źródło napięcia przemiennego.
Źródłem napięcia przemiennego jest przeważnie sieć energetyczna. Zasilanie urządzeń
prostowniczych odbywa się trój- lub jednofazowo, w zależności od mocy zasilanego urządzenia.
Podstawowe wymagania stawiane parametrom sieci zasilającej są następujące:
a) Stała i równa znamionowej wartość dostarczanego napięcia
b) Sinusoidalny kształt krzywej napięcia, czyli jak najmniejsza ilość harmonicznych mająca
znaczny wpływ na kształt przebiegu.
c) Stała i równa znamionowej częstotliwość napięcia przemiennego
d) Brak przesunięcia fazowego pomiędzy przebiegiem prądu i napięcia.
Bardzo dobrze pracujące sieci wykazują zmiany napięcia w granicach ±2% (225-235V).
Niestabilnie pracujące zaś wykazują wahania w granicach -15% +10% (195-253V). Skutki wahań
napięcia dla aparatury elektronicznej mogą być bardzo różne i zależą od wielkości wahań, czasu
trwania, szybkości zmian itd. Zmiany napięcia zasilającego powodują odpowiednie zmiany na
wyjściu układu prostownika, co powoduje zmiany napięcia podawanego na element elektroniczny
w szczególności kolektor albo anodę. Wahania napięcia zasilania wpływają na zmiany
wzmocnienia wzmacniaczy, na częstotliwości generatorów.
Skutki zmiany kształtu przebiegu napięcia mają wpływ dopiero przy zawartości trzeciej
harmonicznej rzędu przynajmniej 5%. Pojawienie się harmonicznych może mieć wpływ na
wysokość wyprostowanego napięcia.
Częstotliwość napięcia waha się w granicach -4% do +2% (48-51Hz). Zmiany te nie mają
większego wpływu na pracę urządzeń elektronicznych.
Przesuniecie fazowe powoduje brak możliwości poboru mocy znamionowej. W
maksymalnym punkcie amplitudy napięcia, nie ma maksymalnej amplitudy prądu i na odwrót.
2 Zabezpieczenia
Przeciążenia układu zasilającego mogą doprowadzić do jego przegrzania i zniszczenia
cieplnego. Przed skutkami przeciążeń powinny być zabezpieczone wszystkie części układu
prostowniczego. Do zabezpieczenia często stosuje się bezpieczniki topikowe o dużej czułości na
płynący nadmierny prąd, zaś o mniejszej na prąd rozruchowy zasilanego układu. Większe układy
zabezpiecza się za pomocą wyłączników elektromechanicznych, sterowanych przez prąd
obciążenia. Od układów prostowniczych wymaga się jak najmniejszej oporności wewnętrznej,
pośrednio więc sporego prądu zwarcia, co wskazuje na potrzebę dobrego zabezpieczenia tych
układów.
3 Transformator
Transformator nie jest elementem niezbędnym do pracy układu prostownika, jednak jest
elementem który pozwala oddzielić galwanicznie taki układ od sieci oraz zmienić wartość napięcia
podawanego na prostownik i układy zasilane. Pozwala również, poprzez odpowiedni dobór
uzwojeń wtórnych na wybór konkretnego układu prostownika.
4 Układ elementów prostowniczych
Elementami z których zbudowany jest układ prostowniczy są diody. Elementy te
przepuszczają prąd od anody do katody, zaś wcale albo w bardzo małym stopniu w kierunku
odwrotnym. Prąd przepływa więc przez diody w półokresach.
5 Filtr tętnień sieciowych.
Kształt napięcia wychodzącego z prostownika jest zbudowany ze spolaryzowanych dodatnio
półsinusoid na których mogą się zaznaczać również inne zniekształcenia. Są to nadal tylko
składowe zmienne, zaś do zasilania dalszych układów potrzeba składowej stałej, dlatego za
prostownikiem stosuje się szereg filtrów zbudowanych z dławika lub rezystora (cewki) i
kondensatora w wymaganej konfiguracji, są to odpowiednio układy LC bądź RC. Podstawowym
zadaniem jest magazynowanie w kondensatorach energii gdy amplituda napięcia przychodzącego z
prostownika jest wyższa od wymaganej składowej stałej i oddawanie jej do zasilanego układu, gdy
przychodzące napięcie jest niższe. Układy LC mają tą zaletę, że cewka stanowi bardzo małą
oporność dla składowej stałej, natomiast jej oporność dla składowej zmiennej jest proporcjonalna
do prędkości narastania i częstości zmian przychodzącego napięcia. Dlatego układ LC jest w stanie
odfiltrować więcej zniekształceń od układu RC (rezystor stanowy stałą oporność niezależnie od
przychodzącego kształtu), wadą jest rozmiar i ciężar. Pojemność kondensatorów wpływa na
stabilność napięcia, w fazie gdy na prostownik podaje napięcie niższe od wymaganego, i wysokość
napięcia podawanego na zasilany układ.
6 Obciążenie
Obciążenie układu prostownika ma znaczący wpływ na wysokość napięcia składowej stałej
oraz tętnień.
Właściwości źródła napięcia zasilającego
1 Opór wewnętrzny źródła dla prądu stałego i charakterystyka napięciowo-prądowa.
Powodem zmian napięcia wyjściowego źródła o stałej sile elektromotorycznej jest opor
wewnętrzny. Jeżeli źródło ma bardzo mały opór wewnętrzny w stosunku od oporu obciążenia, to
wahania napięcia przy zmianach obciążenia będą odpowiednio małe i pod każdym względem na
odwrót. Źródła o sporej oporności wewnętrznej mają większe wahania napięcia. Również
zmniejszenie spadku napięcia przy zmianie obciążenia wskazuje na zmniejszenie oporności
wewnętrznej źródła zasilania.
2 Opór wewnętrzny źródła zasilania dla przebiegów przemiennych
Ważną rolą układów filtra RC bądź LC jest zamykanie przez kondensator częstotliwości
pochodzących z układów zasilanych. Najprostszym i najbardziej skutecznym środkiem
zabezpieczenia układów od sprzężeń na oporze wspólnego źródła jest mały opór wewnętrzny dla
wszystkich częstotliwości z tych układów.
Wymagania stawiane prostownikom i ich właściwości
a) Wytwarzanie stałego napięcia o zadanej wartości. Przy prostownikach dużej mocy często
możliwość stopniowego podnoszenia napięcia przy rozruchu prostownika.
b) Możliwość poboru prądu o stałej wartości, bądź o określonym zakresie zmian
c) Mały opór wewnętrzny, czyli małe wahania napięcia przy wahaniach prądu obciążenia.
d) Znoszenie przeciążeń bez poważniejszych uszkodzeń z ewentualnym odłączeniem
prostownika od sieci.
e) Duża trwałość całego układu i jego poszczególnych elementów
f) Określona, mała wartość składowej tętnień na wyjściu układu prostownika.
g) Mały całkowity opór dla przebiegów przemiennych pochodzących z układów zasilanych.
h) Filtr wyjściowy, posiadający małą częstotliwość rezonansową, mniejszą od najniższej
pochodzącej z układów zasilanych.
i) Mała zależność wyników pracy prostownika od rozrzutów produkcyjnych elementów jego
układu.
j) Stabilna praca przy wahaniach amplitudy i częstotliwości napięcia sieci oraz stabilność
termiczna układu.
k) Duża sprawność elementów, małe rozmiary całego układu, generowanie małych zakłóceń
l) Mały koszt eksploatacji.
Klasyfikacja prostowników
Klasyfikację można przeprowadzić ze względu na:
a) Elementy bierne pomiędzy układem prostownika a układem zasilanym budujące filtr
RC/LC. Takie elementy mogą nie występować w ogóle w układzie. Prądem tętniącym są
np. ładowane akumulatory, zasilane trakcje. Szeregi układów RC razem bądź osobno z
układami LC stosuje się do zasilania układów elektronicznych wymagających jak
najmniejszych tętnień
b) Rodzaje obciążenia. Stałe i zmieniające się.
c) Rodzaje zasilania. Jednofazowe oraz trójfazowe. Bezpośrednio zasilane z sieci oraz przez
transformator
d) Rodzaje układów prostowniczych. Zasadnicze jednopołówkowe/półokresowe i
dwupołówkowe/pełnookresowe. Jednofazowe, trójfazowe, sześciofazowe i wielofazowe.
Dające co do wartości napięcie napięcie nie wyższe od zasilającego je zmiennego,
podwajacze napięcia, powielacze napięcia.
e) Rodzaje elementów prostowniczych. Prostowniki lampowe próżniowe, jonowe i jonowe
sterowane. Prostowniki półprzewodnikowe niesterowane i sterowane.
Elementy prostownicze.
Elementy prostownicze powinny charakteryzować się następującymi parametrami:
a) Element prostowniczy powinien mieć dobrą przewodność w kierunku przewodzenia,
dostateczną emisję elektronów, więc mały spadek napięcia, czyli niską oporność, co wpływa
bezpośrednio na wydzielanie się mocy na elemencie. Powinien mieć zdolność dostarczenia
odpowiedniego natężenia prądu średniego jak i znacznego szczytowego, przy rozruchu.
b) Element prostowniczy powinien wytrzymywać szczytowe napięcie zwrotne, czyli w
momencie rozwarcia układu.
Prostowniki lampowe próżniowe
Jednym z rodzajów elementów pasujących do charakterystyki jest lampa elektronowa
próżniowa, dioda – element dwuelektrodowy, zbudowana z anody i podgrzewanej katody,
umieszczonej w szklanej bańce, opróżnionej z powietrza.
Katodę lampy próżniowej stanowi warstwa tlenków nałożona bądź bezpośrednio na włókno
żarzenia (lampy bezpośrednio żarzone) bądź na rurkę, wewnątrz której znajduje się włókno
żarzenia (żarzone pośrednio). Wartość wymaganego prądu żarzenia powinna być utrzymywana w
zakresie ±5% wartości znamionowej. Przekroczenie tej wartości o 10% w górę powoduje skrócenie
żywotności o połowę, zaś zaniżenie wymaganej wartości o 10% powoduje zjawisko zatrucia katody
i skraca żywotność jeszcze znaczniej. W układzie prostowniczym katoda znajduje się prawie
zawsze pod wysokim napięciem względem masy układu. Pod tym napięciem znajduje się również
uzwojenie zasilające żarzenie lampy w przypadku bezpośredniego żarzenia i w sporej grupie lamp
żarzonych pośrednio, ale z katodą wyprowadzoną razem z jedną stroną żarzenia. Dlatego potrzebne
jest zawsze osobne uzwojenie przeznaczone do tego celu. Lampy żarzone pośrednio z rozdzielonym
żarzeniem i katodą można żarzyć łącznie z pozostałymi lampami układu, choć w przypadku zwarcia
w takim układzie uszkodzone mogą być wszystkie lampy. Istnieją zasadniczo sposoby żarzenia
układu lamp. Równoległy gdy napięcie podawane jest z transformatora i szeregowy, kiedy można
lampy żarzyć bezpośrednio z sieci. Ponieważ żarzenie rozgrzewa się w pewnym określonym czasie,
powoduje to, że emisja elektronów z rozgrzewającej się katody również rośnie w czasie aż do
pełnego rozgrzania, daje to dodatkowy efekt, narastania napięcia zasilającego i nie powoduje
uderzenia prądem w układ zasilany. Każda lampa ma określoną wartość prądu jaki może przez nią,
zależną od wydajności katody i od mocy jaka się może wydzielić na spadku napięcia pomiędzy
katodą i anodą. Bardzo ważnym parametrem każdej lampy jest napięcie zwrotne. Diody i duodiody
prostownicze stosowane są w zakresach napięć rzędu 100-1000V. Trwałość lamp to około 2000
godzin do momentu zauważalnego spadku wydajności katody.
Prostowniki lampowe gazowane.
Lampy gazowane mają w swoich bańkach po kilka kropel rtęci, która paruje po nagrzaniu,
istnieją również lampy wypełnione gazem szlachetnym: argonem, ksenonem lub ich mieszaniną.
Lampy rtęciowe i gazowane stosowane są do napięć wyprostowanych od kilkuset do kilku tysięcy
V oraz dla prądów od 1 do 100A. W momencie przepływu prądu następuje w nich jonizowanie
gazu/pary rtęci i w ten sposób jest przekazywana energia Można za ich pomocą uzyskiwać duże
napięcia i duże prądy. Mają one jednak bardzo poważne wady. Są wrażliwe na temperaturę
otoczenia, moga pracować w zakresie +15 do +65ºC dla lamp rtęciowych i -60 do +90ºC dla lamp
gazowanych. Lampy rtęciowe mogą pracować tylko w pozycji pionowej. Dodatkowo podczas
ujemnej połówki okresu występuje w nich zjawisko prądu dejonizacji, prądu wstecznego,
trwającego 50-100 mikrosekund, więc ich graniczną częstotliwością pracy jest około 500Hz.
Występują w nich tzw. Zapłony zwrotne, czyli jonizacja gazów w kierunku odwrotnym, wymagają
więc bardzo czułych układów zabezpieczających. Nie można ich stosować do pracy równoległej,
ponieważ pracuje lampa o najniższym napięciu zapłonu. Napięcie żarzenia nie może być wyższe
niż 5V, aby nie następowała jonizacja gazu pomiędzy jego końcówkami.
Prostowniki półprzewodnikowe
W prostownikach półprzewodnikowych istnieje dostateczna ilość wolnych elektronów
gotowych do wprawienia w ruch, co jest i wadą i zaletą. Włączenie do pracy bez oczekiwania jest
niewątpliwie zaletą, ale w układach pracują również inne elementy takie jak kondensatory, które
niekoniecznie dobrze znoszą szybki rozruch. Duży prąd ładowania nie jest pożądany dla
kondensatorów ani dla samych półprzewodników, przez które przepływa w tym momencie
praktycznie prąd zwarcia. To zmusza do włączania w układ oporników zabezpieczających. W
kierunku zaporowym półprzewodniki mają prąd wsteczny. Są również wrażliwe na wysokie
napięcia wsteczne, przekroczenie pewnej wartości granicznej powoduje przebicie złącza p-n i
zniszczenie elementu.
Prostowniki miedziowe
Prostowniki te inaczej zwane kuprytowymi wykonywane są przez utlenianie płytki czystej
miedzi. Wytwarzane są 2 warstwy, jedna tlenków miedzi z zawartością atomów miedzi o
przewodnictwie typu n, druga z zawartością atomów wodoru a przewodnictwie typu p.
Dopuszczalne napięcie zwrotne dla tego półprzewodnika to 9-12V w wąskim zakresie temperatur
pokojowych. W kierunku przewodzenia działanie prostownika zmniejsza się z malejącą
temperaturą, by ustać przy -30ºC. Prostowniki miedziowe odznaczają się małym spadkiem napięcia
w kierunku przewodzenia, zaś gęstość prądu wynosi dla nich do 50mA/cm². W historii
wykorzystywane były do prostowania dość znacznych prądów, jednak ze względu na dość niskie
napięcie zwrotne zmuszające do łączenia ich szeregowo, a co za tym idzie do zwiększenia
rozmiarów, ciężaru i kosztów elementów, musiały ustąpić miejsca prostownikom selenowym,
germanowym i krzemowym.
Prostowniki selenowe
Prostownik selenowy tworzy się na podkładce z aluminium lub poniklowanej stali o
grubości 0.5-1.5 mm. Na podkładkę napyla się próżniowo warstwę bizmutu, która zapewnia dobry
styk i mały opór przejścia, Na tym podkładzie umieszcza się warstwę selenu, przewodnika typu p,
stanowiącego anodę. Selen celem skompensowania działania resztek zanieczyszczeń domieszkuje
się odrobiną chloru bądź jodu. Na warstwę selenu nanosi się warstwę cyny wraz z kadmem i
bizmutem, przewodnik typu n, katodę. Konstrukt ten nie ma jeszcze własności diody, ponieważ
opór w kierunku zaporowym jest jeszcze mały, przepuszcza się więc przezeń w kierunku
zaporowym prąd pod coraz wyższym napięciem. Podczas tego procesu maleje prąd wsteczny i
tworzy się warstewka kryształków selenu z domieszką kadmu, o przewodnictwie typu n. Płytki
łączy półprzewodnika się szeregowo w stosy bądź umieszcza się w rurkach. Napięcia zwrotne
prostowników selenowych, mimo że ponad dwukrotnie większe niż miedziowych wciąż są niskie.
Przy przebiciu prostownika selenowego uszkadza się pewna mała cześć selenu oraz warstwy stopu
katodowego, pod wpływem prądów zwrotnych. Jeżeli przebicie jest chwilowe prostownik po
ustaniu jego przyczyny może dalej pracować. Jest to mechanizm tzw. samoleczenia selenu, przebite
miejsce zostaje zalane selenem bezpostaciowym, który nie jest przewodnikiem. Gęstość prądu w
prostowniku selenowym wynosi do 140mA/cm² i spadku napięcia w zakresie od 0.45 do 0.8V.
Selen ulega starzeniu podczas pracy i składowania. Objawia się to wzrostem oporności w kierunku
przewodzenia i jest to proces nieodwracalny podczas pracy, zaś podczas składowania wzrasta 510ciokrotnie prąd wsteczny, to zjawisko jest krótkotrwałe. Trwałość elementów selenowych wynosi
maksymalnie 50 tys. h.
Prostowniki germanowe
Prostowniki germanowe były sporym postępem w stosunku do wcześniejszych
półprzewodników, jednak zostały szybko wyparte przez elementy krzemowe. Rozróżnia się 2
rodzaje prostowników germanowych: diody ostrzowe i warstwowe. Dioda ostrzowa zbudowana jest
na podstawie metalowej. Na niej umieszczona jest pastylka kryształu germanu z domieszką
donorową (warstwa n), do pastylki dociśnięte jest ostrze z wolframowego drutu z domieszką złota,
dzięki temu uzyskano bardzo małe prądy wsteczne. Przez ostrze i pastylkę, podczas produkcji,
przepuszcza się w kierunku przewodzenia krótkotrwały impuls prądowy rzędu 1-2A, powoduje to
przyspawanie się ostrza i stopienie się oraz zakrzepnięcie germanu. Wprowadza to zakłócenia do
struktury tuż przy ostrzu. W ten sposób uzyskuje się lokalne złącze p-n, a ostrze od tej pory jest już
tylko doprowadzeniem. Ponieważ german jest wrażliwy na warunki zewnętrzne i światło całość
zamyka się w szklanej ciemnej rurce. Ze względu na niewielki rozmiar półprzewodnika dioda
ostrzowa ma niską pojemność, rzędu 1-5pF. Dzięki temu oraz szybkiej rekombinacji dziur diody te
mogą pracować do częstotliwości rzędu 100MHz i służą do prostowania prądów wysokiej
częstotliwości (detekcji sygnałów). Zakres pracy złącza germanowego to -50 do +75ºC. Diody
ostrzowe ze względu na swoją budowę nie są przeznaczone do prostowania prądów sieciowych. Do
tych celów przeznaczone są diody warstwowe. Wykonane są z monokryształu germanu
domieszkowanego donorowo (n). Złącze p-n wykonuje się metodą stopowo-dyfuzyjną. Nakłada się
warstwę indu. Po nagrzaniu do temp 150ºC ind topnieje. Po podwyższeniu temperatury do ok.
500ºC na granicy obu wytwarza się stop. Podczas powolnego ochładzania german rekrystalizuje
tworząc warstwę typu p i złącze p-n. Diody warstwowe charakteryzują się prądami rzędu
dziesiątków amperów i napięciami wstecznymi dochodzącymi do 500V, zaś gęstość prądu może
dochodzić nawet do 100A/cm². Jednak elementy germanowe wytwarzają znaczą ilość ciepła i
często należy je stosować razem z radiatorami.
Prostowniki krzemowe
Przede wszystkim w stosunku do poprzednich krzem wyróżnia się bardzo mała emisją
cieplną. Dzięki temu może pracować nawet do 200ºC bez zmian w przepływie prądu. Osiągane jest
również wysokie napięcie wsteczne, do 1500V i więcej. Gęstość prądu w złączu wynosi do
200A/cm². Jednak znaczny spadek w kierunku przewodzenia mieści się w granicach 0.8-1.5V. Do
produkcji diod krzemowych wykorzystuje się metodę stopowo-dyfuzyjną. Półprzewodnikiem
donorowym bywa arsen, zaś akceptorowym bor lub gal. Tworzone są również metodą dyfuzji
gazowej. Nad warstwą kryształu krzemu przelatują rozgrzane cząsteczki materiału donorowego,
dyfundują w nią tworząc warstwę n, w ten sam sposób tworzona jest warstwa p. Diody krzemowe
są wrażliwe na przepięcia w kierunku wstecznym. Dość dobrze prądy wsteczne przy wysokich
napięciach znosi dioda lawinowa.