4. Fejezet. Diódás egyenirányítók 4 Diódás egyenirányítók Számos érv szól amellett, hogy a villamos energiát szinuszos váltakozó áramú hálózattal továbbítsuk: egyszerű előállíthatóság, átalakíthatóság (transzformálhatóság), torzulásmentes jelterjedés és egyszerű felhasználás. A váltakozó hálózati feszültség azonban számos eszköz számára közvetlenül nem felel meg, mert azok egyenáramú tápforrást igényelnek. Az egyenirányítók diszkrét alkatrészekből is megépíthetők és integrált formában is kaphatók. Feladatuk, hogy már megfelelő nagyságú csúcsértékkel rendelkező (a hálózati feszültségről letranszformált) váltakozó, szinuszos jelet úgy alakítsák át, hogy az a továbbiakban csak egyetlen polaritású feszültséget képviseljen. Ez azonban még nem jelent szükségszerűen egyenfeszültséget! Az egyenirányított feszültség a legtöbbször még változó jellegű (AC), annak ellenére, hogy nem váltakozó. Az egyenfeszültség azonban ideális esetben már egyáltalán nem tartalmaz időfüggő komponenseket, azaz tökéletesen konstans szintet (DC) képvisel. Kialakítástól függően az egyenirányítók rendelkezhetnek két, eltérő polaritású, de egyetlen adott polaritású kimenettel is. Az egyenirányító emellett lehet egyutas vagy kétutas aszerint, hogy a szinusz hullám fél- vagy teljes periódusa vesz-e részt az egyenirányításban. A fejezetben a következő egyenirányító kapcsolásokkal foglalkozunk: az egyszerű egyutas, a kétutas középleágaztatásos és a szintén kétutas Gräetz-hidas egyenirányító. Integrált (Gräetz) egyenirányító diódahidak jellemző tokozásai Amiről szó lesz Miután megtanulta ezt a fejezetet, ismernie kell: 4.1. Diódás egyenirányítók - Egyszerű egyutas egyenirányító - Középleágaztatásos kétutas egyenirányító - Gräetz-hidas egyenirányító
33 A fejezet néhány fontosabb új fogalma Egyfázisú (egyutas). Az egyenirányítás folyamatában az egyenirányítandó jelnek csak egyik polaritású feszültségmenete vesz részt. Kétfázisú (kétutas). Az egyenirányítás folyamatában az egyenirányítandó jelnek mindkét polaritású feszültségmenete részt vesz. Földfüggetlen kimenet. A kimenetet alkotó vezetékpár egyike sem a földpont. A kimeneti jelet a vezetékek egymáshoz mért potenciálkülönbsége formálja, külön, az egyes vezetékek jelei egy harmadik potenciálhoz (pl a tényleges földponthoz) képest definiálatlannak tekinthetők. 4.1. Egyenirányítók Az egyenirányítók szinte minden olyan eszközben megtalálhatók, melyek váltakozó feszültségből egyenfeszültséget állítanak elő. A diódás egyenirányítókat legegyszerűbben úgy osztályozhatjuk, hogy a bemenetnek csak az egyik polaritású (egyfázisú), vagy mindkét polaritású (kétfázisú) hullámmenetét felhasználja-e az egyenirányított kimeneti jel előállításához. Az előbbit egyutas, az utóbbit kétutas egyenirányítónak is nevezik, utalva arra, hogy a működés alatt az áram azonos vagy eltérő áramutat fut be. Az eszközök működést az ideális diódamodell használatával fogjuk elemezni, a nyitófeszültség okozta eltérésekre csak az utoljára mutatunk rá. A kapcsolások működésének megértéséhez azt kell látnunk, hogy a bemeneti jelet szolgáltató transzformátor kimenetei földfüggetlenek, azaz egymáshoz képest változtatják periodikusan polaritásukat - csak azt állapíthatjuk meg egy adott időpillanatban, hogy a vizsgált kivezetések egyike pozitívabbe a másiknál. Földzár. Agresszív mérési hiba, mely annak a figyelmen kívül hagyásával keletkezik, hogy a kérdéses mérőműszer egyik kivezetése a hálózati földpont (pl. egyes oszcilloszkópok). A földzár akkor lép fel, mikor a vizsgálandó áramkör egy részét a mérőműszer nulla bemenetén keresztül rövidre zárjuk. Elkerüléséhez fokozott figyelemmel - a mérést úgy kell elrendezni, hogy a mérőműszer földpontja és a kapcsolást meghajtó generátor földpontja közös legyen. Búgófeszültség. Az egyenirányított jel időben változó részében a pozitív és negatív csúcsértékek különbsége (a változó jel abszolút nagysága) Egyutas, egyfázisú, diódás egyenirányító Talán a legegyszerűbb ilyen szerkezet; mindössze egyetlen diódát tartalmaz: 64. Egyutas diódás egyenirányító Működésének magyarázatához a bemenet egyes fázisainak polaritásait és az ideális dióda tulajdonságait kell figyelembe venni. Gondolatban vegyük ki a diódát és nézzük meg, hogy milyen polaritások jellemzik így a hozzá futó vezetékeket! Tegyük fel elsőként, hogy éppen a transzformátor felső kivezetése pozitívabb (a dióda katód oldala), az alsó, legnegatívabb vezeték sehol sem csatlakozik a pozitívabb részhálózathoz, emiatt szintén szakadt vezetékként kezelhető. A potenciál szakadt vezeték mentén korlátlanul tovaterjed (ellenállásokon, véges ellenállású alkatrészeken keresztül is), így eljut a dióda katódoldali bekötéséig is. 63. A transzformátor kimeneti polaritásainak váltakozása 65. Egyutas egyenirányító a nyitóirányú fázis potenciálviszonyai
34 A dióda helyén tehát nyitóirányú feszültség van jelen. Mivel a diódát ideálisnak tekintettük, behelyezve ennek hatására kinyit, a pozitív potenciált mintegy rányitja R t-re, amin ennek hatására áram indul meg 66. Nyitóirányú fázis Az ideális viselkedést szigorúan véve nyitott állapotban a dióda mindkét oldalán ugyanaz a potenciál jelenik meg, ám így, ha jól belegondolunk, nem is lehetne tovább nyitva. Valójában, a nyitást elősegítő potenciálkülönbség egy része a dióda nyitva tartására fordítódik (nyitó/üzemi feszültség). Ideális dióda esetén úgy foghatjuk fel, hogy ez az üzemi feszültség szintén létező, de végtelenül kicsiny mértékű, jóformán nulla. Tehát, ha U be(t) pozitív, a kimeneten a bemenetet látjuk. Fordított polaritás esetén hasonlóan gondolkodhatunk. Ekkor a dióda anódja lesz negatívabb, a diódán záróirányú feszültség képződik, így az szakadásként kezelhető; mindkét kimeneti vezetékre a pozitívabb potenciál kerül, melyek egymáshoz képest nulla feszültséget jelenítenek meg. 67. Záróirányú fázis Az előzőeknek megfelelően az alábbi ábrán a vékonyabb vonallal jelölt szinuszos bemeneti jelre megvastagítva rárajzoltuk a kimeneten megjelenő jelalakot (68. ábra). Az előállított jel jól láthatóan csak pozitív feszültségértékekkel rendelkezik, de korántsem egyenfeszültség, hiszen egyfajta lüktetés jellemzi. 68. Az egyutas egyenirányító bemeneti (vékony vonallal) és kimeneti (vastag vonallal) jele Az ilyen egy polaritású, de nem konstans jelet gyakran változó jelnek (a polaritást is váltó jelet pedig váltakozó jelnek) nevezzük. A jel további simítása a kimenettel (R t- vel) párhuzamosan kötött nagy kapacitású kondenzátorral - amit puffer kondenzátornak is nevezünk - érhető el. 69. Egyutas egyenirányító puffer kondenzátorral Ez rendszerint nagy kapacitású (~0.1-1F) elektrolit kondenzátor, így megfelelő polaritású bekötésére külön figyelmet kell fordítani (mert felrobbanhat!). Működésének lényege, hogy amikor a dióda nyitva van, áramának egy része a kondenzátort tölti, amelynek feszültsége (és így a kimenet is) jó közelítéssel követi a bemenetet. Miután a bemenet elérte pozitív maximumát, csökkenni kezd. A dióda másik oldalán azonban a kondenzátor még mindig a maximum feszültséggel rendelkezik, emiatt a diódán záróirányú feszültség lép fel, lezárva azt. A kimeneti feszültséget ekkor már csak a kondenzátor tartja fenn, amely viszont az R t-n való kisülése révén exponenciálisan csökken. A dióda akkor nyit ki ismét, amikor az ismét emelkedő bemenet meghaladja a kisülő kondenzátor egyre csökkenő feszültségét.
35 Hátránya, hogy a jel negatív feszültségű fél periódusait nem használja fel, így kevésbé hatékony, a jel simításához - a kimaradó fázisokat áthidalva - nagyobb kondenzátorokat kell használni. 70. Egyutas egyenirányító kimenete puffer kondenzátor alkalmazásakor Világos, hogy a kimenet ingadozása kisebb R t, ill. kisebb kapacitás mellett nagyobb (mert ekkor a kondenzátor gyorsabban veszti el a feszültséget fenntartó pufferelt töltését), azaz a simítás mértéke a kapacitás és az ellenállás növelésével javul. Extrém nagyságú kapacitás azonban mégsem alkalmazható, mert a még töltetlen kondenzátor indításkor annyi áramot képes rövid idő alatt felvenni, amennyi a diódát akár tönkre is teheti. Elhanyagolva a tranzienseket, a kimeneti jel ingadozásának minimuma és maximuma közötti különbséget búgófeszültségnek nevezzük. Az elnevezés onnan ered, hogy egyenirányított, de nem egyenfeszültséget rákapcsolva egy hangszóróra közepesen mély búgást tapasztalhatunk, amit az 50Hz-es hálózati frekvenciát öröklő váltakozó komponens okoz. A kapcsolás előnye, hogy egyszerű, kevés alkatrészt igényel és valós dióda esetén, a kimeneten megjelenő jel csak a dióda üzemi feszültségével (0.7-0.8V) kevesebb a bemenet csúcsértékénél. Kétutas, középleágaztatásos diódás egyenirányító Az előző kapcsolás szimmetrikus működését megvalósító elrendezés. Lényege, hogy a transzformátor szekunder tekercsének középső kivezetésével egy közbenső potenciált is elérhetővé tesznek, amihez képest értelmezzük a kimenetet. 72. Kétutas, középleágaztatásos diódás egyenirányító A működés megértéséhez azt kell látni, hogy ez a közbenső potenciál minden időpillanatban negatívabb, mint a legpozitívabb- és pozitívabb, mint a legnegatívabb kivezetés, jó közelítéssel ezeknek az átlaga. 73. A középleágaztatásos transzformátor kivezetéseinek potenciálviszonyai az egyes fázisok esetén. 71.. Egyutas egyenirányító kimenete, puffer kondenzátor és valós dióda esetén Fontos, hogy bár egy adott időpillanatban a középleágaztatási pont tekinthető akár egyfajta földfüggetlen nulla-pontnak is, ez nem szükségszerűen egyezik a kimenetet követő kapcsolás földpontjával (amivel igény szerint egyébként közösíthető). Az így megosztott tekercseken ehhez a ponthoz képest szimmetrikusan - az ábrán
36 bemenetként jelölt - feszültségnek csak a feszültség fele indukálódik. Tegyük fel elsőként, hogy transzformátor felső kivezetése pozitívabb, mint az alsó. Ekkor az előzőekben leírt elvek szerint (a diódákat gondolatban eltávolítjuk, és megnézzük a csatlakozó vezetékek polaritásait) megállapítható, hogy a felső dióda nyitóirányú, az alsó pedig záróirányú előfeszítést kap. A pozitív saroktól ennek megfelelően indul meg az áram R t-n keresztül a leágaztatott pont felé. Mivel az áram iránya R t-n a kimeneti feszültség mérőirányával azonos, így pozitív feszültséget (fél hullámot) mérünk. Ellenkező polaritású bemenet esetén felcserélődik a diódák szerepe. Az alsó dióda lesz nyitóirányú, a felső pedig záróirányú elfeszítést kap. Az áram most is a pozitív sarok felől indul meg a tekercs közepe felé és ami igen fontos ismét a kimeneti feszültség mérőirányával azonos irányban halad át R t-n. A kimeneten tehát ismét pozitív fél hullámot mérünk, annak ellenére, hogy a bemenetet képező vezetékek polaritása felcserélődött. 74. A középleágaztatásos diódás egyenirányító működése az egyes fázisokban. A kimeneti jel tehát mindvégig pozitív, olyan, mintha tükröznénk a bemeneti jelet a vízszintes tengelyre (felfelé), csak feleakkorára skálázva a középleágaztatás miatt. 75. A középleágaztatásos diódás egyenirányító kimenete ideális diódákkal Érdekes, hogy ha az ennél a kapcsolásnál kapott kimenetet hallgatnánk meg hangszórón keresztül úgy, mint azt tettük gondolatban előzőleg, hasonló erősségű, de magasabb hangot hallanánk (100 Hz-es alapfrekvencia + magasabb frekvenciájú komponensek), pedig a tápláló hálózat frekvenciája most is 50 Hz. Ezt az okozza, hogy a kimeneti jel változó komponense feleakkora önismétlő részekre bontható, ami végeredményben bemeneti jel alapfrekvenciájának megduplázódását jelenti a kimenetben. A kapcsolás előnye, hogy mindkét fázist felhasználva lehetőséget ad a búgófeszültség csökkentésére. Hátránya, hogy különleges kialakítású transzformátort igényel, valamint, hogy a kimeneten legfeljebb csak a bemenet csúcsértékének a felét teszi elérhetővé. Valós esetben ez még a dióda nyitófeszültségével is kevesebb. Mivel az egyfázisú egyenirányítónál kivágott fázisok itt pozitív csúcsokként jelennek meg, a jelet puffer kondenzátorral simítva kisebb búgófeszültség érhető el; illetve kisebb kondenzátorral is elérhető ugyanakkora búgófeszültség (a kondenzátornak kevesebb ideje van kisülni).
37 Működésének értelmezéséhez tegyük fel először, hogy a transzformátor felső kivezetése a pozitívabb. 78. A Gräetz-híd működése az első félperiódusban 76. A kapcsolás kiegészítése puffer kondenzátorral (fönt) és az ekkor előálló kimenet alakja ideális (középen) és valós (lent) dióda esetén. Kétutas, Gräetz-hidas egyenirányító A szerkezet bizonyos szemszögből egyesíti az előző két kapcsolás előnyeit. Négy diódából épül fel, amit jellegzetes szimmetriája miatt Gräetz-hídnak is neveznek. Az áram ebből a pontból csak a B-R t- D alkatrészeken keresztül juthat a negatív sarokig. Az A-n nem folyhat, mert annak katódja a rendszer legpozitívabb pontja, anódja ennél az ellenálláson eső feszültség miatt - biztosan kisebb. B-n folyhat, mert annak anódja a rendszer legpozitívabb pontja, zárt körben a katód ennél csak negatívabb lehet. C ismét záróirányban van, mert anódja a rendszer legnegatívabb pontja, katódja ennél ideális esetben az ellenállás feszültségével pozitívabb. D szintén nyitott, mert katódja a rendszer legnegatívabb pontja, ehhez képest az anódja zárt körben csak pozitívabb lehet. Látható, hogy ha a transzformátor felső vezetéke pozitívabb, mint az alsó, a B-D diódák nyitnak, míg az A-C diódák zárva maradnak. Ellentétes fázisban az áram szintén a legpozitívabb pontból indul és a C- R t-a alkatrészeken keresztül halad. C nyit, mert anódja a hálózat legpozitívabb pontja, zárt körben katódja ennél negatívabb. Ugyanekkor az A is vezet, mert katódja a rendszer legnegatívabb pontja, zárt körben anódja ennél biztosan pozitívabb. B anódja minden más potenciálnál alacsonyabb, így lezár, hasonlóan D-hez, amelynek viszont a katódja csatlakozik a legpozitívabb ponthoz. Tehát, ha a transzformátor alsó vezetéke a pozitívabb, az A-C diódák nyitnak, a B- D diódák zárnak. 77. A Gräetz-hidas egyenirányító
38 79. Gräetz-híd, második félperiódus Az áram iránya az egyes fázisokban R t- n ismét a kimeneti feszültség mérőirányával azonos, így a kimeneten mindkét esetben pozitív feszültséget mérünk. 80. A Gräetz-híd kimenete (ideális dióda esetén) Fontos megjegyezni, hogy míg az előző kapcsolásoknál szükség esetén kijelölhető a transzformátor szekunder kivezetései közül olyan földpont (az egyfázisúnál a szekunder alsó vezetéke, a középleágaztatásos esetben pedig maga a leágazási pont), melyhez képest nem földfüggetlen műszerrel (pl. normál oszcilloszkóppal) is lehetséges a kimenet mérése, itt erre nincs lehetőség. Ha ugyanis földeljük a szekunder alsó vezetékét és R t-t pedig mérjük, annak alsó kivezetése a műszeren keresztül - szintén a földpontra kerül. A kialakuló földzár a bal alsó diódát (D) zárja rövidre. Amikor a felső vezeték negatívabb, mint az alsó földelt, a bal felső (A) dióda a mérőműszer földpontján keresztül tápoldali rövidzár megjelenését okozza. Ez normál esetben a dióda, de a bemenetet szolgáltató eszköz vagy a transzformátor károsodását is okozhatja! Természetesen ebben az esetben is beköthetünk kondenzátort a búgófeszültség csökkentésére. 81. A Gräetz-híd pufferkondenzátorral kiegészítve, valamint a kapcsolás kimenete ideális és valódi diódák esetén A kapcsolás előnye, hogy kétfázisú, nem igényli a bemenet különleges kialakítását. Hátránya de ez valójában előnye is -, hogy a kimenet csúcsértéke valós diódák esetén csak ezek üzemi feszültségével (2 0.7 V) lesz kevesebb. Az egyik legelterjedtebb diódás egyenirányító, mely integrált formában is gyakori. 82. Növekvő (zöldtől a piros felé) kapacitású puffer kondenzátorok simító hatásának összehasonlítása