Spis treści:
Usměrňovací můstky jsou nedílnou součástí napájecích cest síťových zařízení – seznamte se s jejich konstrukcí, klíčovými parametry a použitím.
Střídavý a stejnosměrný proud z hlediska energetiky a elektroniky
Moderní energetika se opírá především o střídavé napětí – setkáme se s ním ve většině zařízení. Důvodem je především skutečnost, že snadná změna úrovně tohoto typu napětí pomocí transformátorů umožňuje efektivní přenos energie na velké vzdálenosti (ztráty v přenosovém vedení se při vysokém napětí snižují). Kromě toho většina generátorů – vzhledem ke své konstrukci – přirozeně vyrábí pouze střídavý proud, což je praktičtější a ekonomičtější.
Střídavý proud je také považován za o něco bezpečnější než stejnosměrný, pokud jde o biologické účinky, které způsobuje. Napájení elektronických obvodů je však založeno téměř výhradně na stejnosměrném napětí – z tohoto důvodu je nutné použít usměrňovací můstky k převodu (dříve redukovaného) střídavého síťového napětí na napětí stejnosměrné.
Konstrukce a princip činnosti usměrňovacího můstku
Klasický usměrňovací můstek se skládá ze čtyř křemíkových diod zapojených ve specifickém uspořádání, které připomíná Wheatstoneův můstek používaný v měřicí technice. Schematické znázornění usměrňovacího můstku je čtverec otočený o 45 stupňů, přičemž diody jsou na každé straně umístěny odpovídajícím způsobem. Při této topologii tvoří spojení jednotlivých elektrod “sousedních” diod čtyři uzly.
Dva z uzlů (umístěné v protilehlých rozích čtverce) jsou připojeny ke zdroji střídavého napětí (obvykle k výstupu transformátoru, který snižuje napětí na bezpečnou hodnotu, např. 12 V nebo 24 V) a ostatní uzly jsou připojeny k zátěži, která má být napájena stejnosměrným proudem.
Za povšimnutí stojí, že katody obou diod jsou připojeny k vodiči označenému “+”, zatímco anody ostatních dvou součástek jsou připojeny k “-“. Toto uspořádání znamená, že během jednoho cyklu střídavého proudu dvě diody propouštějí proud ve správném směru a ostatní ho blokují (protože jsou polarizovány v opačném směru). V druhé polovině cyklu je situace opačná – diody, které dříve propouštěly proud, jej nyní blokují a prvky, které byly v předchozí polovině cyklu sepnuty, proud nevedou.
Usměrňovací můstek v praxi - "layout prostředí"
Výše popsaná činnost můstkového usměrňovače způsobuje, že průběh výstupního napětí připomíná sinusovku, jejíž záporné poloviny jsou invertovány a “převráceny” přes vodorovnou osu grafu. Tento “dvoubitový” průběh se opakuje v každé periodě síťového napětí, proto výstupní napětí můstku označujeme jako dvounapěťové usměrněné. Těžko tedy můžeme říci, že se jedná o čisté stejnosměrné napětí – vždyť místo stabilní hodnoty napětí (např. 5 VDC) se zde jedná o silně pulzující signál, který není příliš vhodný například pro napájení elektronických obvodů, zejména těch, které jsou založeny na mikrokontrolérech nebo citlivých operačních zesilovačích.
Nic není ztraceno – stačí totiž výstupní napětí můstku filtrovat pomocí baterie několika velkých elektrolytických kondenzátorů, které napětí úspěšně “vyhladí” a přiblíží našemu vysněnému ideálu. V mnoha obvodech se samozřejmě i taková jednoduchá filtrace ukáže jako nedostatečná – dobrým příkladem jsou analogově-digitální převodníky, které pro správnou funkci vyžadují stabilní napětí s velmi nízkou úrovní zvlnění a šumu. Z tohoto důvodu se v praxi používá – za filtrační kondenzátorovou baterií – lineární stabilizátor, který účinně “odřízne” zbytek rušení a do napájených obvodů dodá “čisté” stejnosměrné napětí s velmi dobrými parametry.
Při použití usměrňovacích můstků (nejen) v transformátorových zdrojích je třeba pamatovat i na vhodnou ochranu proti přetížení – aby nedošlo k poškození můstku, ale i transformátoru (např. při nechtěném zkratu na výstupu), měla by být před primárním vinutím namontována pojistka s hodnotou vypočtenou podle předpokládaného příkonu a typu transformátoru (tato problematika však přesahuje rámec našeho článku).
Klíčové parametry usměrňovacích můstků
Parametry usměrňovacího můstku, které výrobce uvádí v datovém listu, jsou rozhodující pro správný výběr a použití těchto součástek při návrhu elektronických zařízení. Podívejme se stručně na nejdůležitější z nich:
- Maximální reverzní napětí (Vrrm)
. Jedná se o maximální (špičkové) napětí, které je usměrňovací můstek schopen vydržet při provozu v reverzním směru. Překročení tohoto napětí může vést k poškození můstku (propíchnutí diody). Obvykle lze v katalogových údajích nalézt také maximální efektivní napětí (Vrms), které je samozřejmě nižší než špičkové napětí. - Maximální vodivostní proud (If(av))
Tento parametr udává maximální proud, který je můstek schopen vést ve vodivém stavu, aniž by došlo k poškození (přehřátí) křemíkových diod v jeho konstrukci. Je třeba dodat, že výrobci v tomto případě obvykle uvádějí výstupní proud jako průměrnou hodnotu bipolárně usměrněného proudu. - Maximální výkon (Pd)
Jedná se o nejvyšší výkon, který je usměrňovací můstek schopen převést bez poškození (přehřátí). Záleží jak na výkonu diod, tak na tepelné vodivosti a konstrukci skříně, a tedy i na její velikosti. Důležitý je samozřejmě způsob upevnění můstku a okolní teplota. - Provozní teplota (Tj)
Definuje teplotní rozsah, ve kterém je usměrňovací můstek schopen správně fungovat. Překročení maximální teploty může vést k přehřátí můstkových diod, ale příliš nízké teploty se také nedoporučují – mohou totiž negativně ovlivnit životnost materiálů součástek. - Reverzní proud (IR)
Maximální hodnota proudu protékajícího diodami pracujícími v bariérové polaritě. Obvykle zůstává na úrovni několika desítek až stovek mikroampérů.
Aplikace usměrňovacích můstků
Usměrňovací můstky, jak jsme se zmínili na začátku tohoto článku, se používají (téměř výhradně) v síťových obvodech AC/DC zdrojů – je však třeba vědět, že se to netýká pouze tradičních transformátorových zdrojů. Vhodné můstky však lze použít i ve spínaných zdrojích a dokonce i v jednoduchých beztransformátorových provedeních – mějte však na paměti, že tyto zdroje nemají žádnou izolační bariéru, která by chránila uživatele před úrazem elektrickým proudem, a proto se nepoužívají v zařízeních, kde hrozí přímý kontakt těla uživatele s vodivými částmi zařízení!
