Mostki prostownicze - zastosowanie

Po co komu prostownik?

Współczesna energetyka opiera się w przeważającej większości przypadków na prądzie przemiennym (AC), zapewniającym możliwość stosunkowo łatwej konwersji napięć (obniżania lub podwyższania napięcia skutecznego stosownie do potrzeb), co jest niezbędne w celu redukcji strat transmisyjnych. Wielokrotne podwyższenie napięcia (wygenerowanego w elektrowni) za pomocą specjalnych transformatorów dużej mocy umożliwia znaczące obniżenie natężenia prądu, a to przekłada się bezpośrednio na minimalizację spadków napięcia na liniach przesyłowych. Mało tego – także wytwarzanie napięcia AC w konwencjonalnych elektrowniach jest znacznie wydajniejsze i prostsze z technologicznego punktu widzenia.

Niestety, prawie wszystkie układy elektroniczne wymagają zasilania napięciem stałym – zachodzi zatem konieczność przetworzenia przemiennego napięcia sieciowego (o kształcie sinusoidalnym) na stabilne napięcie stałe o określonej wartości, np. 5 V czy 12 V. Do tego celu właśnie służy bohater dzisiejszego wpisu, czyli… mostek prostowniczy.

Budowa mostka prostowniczego

Mostek prostowniczy, nazywany często także mostkiem Graetza, to prosty układ składający się z czterech diod, połączonych w specyficzny sposób – końcówka każdej z diod jest połączona z wyprowadzeniem innej diody, niejako w formie „kwadratu”, którego wierzchołki tworzą wejście oraz wyjście mostka. Dwa przeciwległe wierzchołki kwadratu stanowią wejście do podłączenia napięcia przemiennego (AC), pochodzącego zwykle z uzwojenia wtórnego transformatora, a pozostałe dwa węzły to wyjście, udostępniające „wyprostowane” napięcie, niezbędne do zasilania układów elektronicznych. Mostki prostownicze są najczęściej produkowane w postaci hybrydowych komponentów, zalewanych żywicą w niewielkiej, tworzywowej lub metalowej obudowie, wyposażonej w cztery końcówki drutowe (wersja przewlekana, THT) lub konektory (wersja przykręcana do obudowy urządzenia). Warto jednak mieć na uwadze, że identyczne parametry można uzyskać stosując także cztery dyskretne diody prostownicze, podłączone w odpowiednim układzie. Ale jak właściwie działa mostek prostowniczy? Aby to lepiej zrozumieć, musimy najpierw sięgnąć do absolutnych podstaw elektroniki.

Zasada działania prostownika jednopołówkowego

Jak wiesz, napięcie przemienne (obecne np. w gniazdku ściennym) cyklicznie odwraca swoją polaryzację - co 10 milisekund biegunowość napięcia zmienia się na przeciwną, a zatem wynikowy okres przebiegu napięcia sieciowego w Polsce wynosi 20 milisekund (co daje doskonale znaną Ci wartość częstotliwości napięcia równą 50 Hz). Jeżeli zatem tego typu przebieg „przepuścimy” przez szeregową diodę krzemową, to na wyjście układu przedostanie się tylko „połowa” każdego z okresów napięcia – dokładnie ta, w której na anodzie diody będzie panował potencjał wyższy, niż na katodzie. W efekcie otrzymamy ciąg szerokich impulsów o kształcie połowy sinusoidy – przez jedną część każdego cyklu napięcie wyjściowe będzie odpowiadało w przybliżeniu napięciu na wejściu, zaś przez pozostałą część okresu dioda uniemożliwi przepływ prądu, a zatem napięcie wyjściowe będzie wtedy równe zeru. Taki banalnie prosty układ nosi nazwę prostownika jednopołówkowego – jego niewątpliwą zaletą jest właśnie nieskomplikowana konstrukcja, choć niestety - jak zwykle w życiu bywa - “nie ma nic za darmo”. Zwróć bowiem uwagę, że tracimy aż połowę dostępnej energii w momencie, gdy dioda jest spolaryzowana zaporowo i nie przewodzi prądu do obciążenia!

Prostownik dwupołówkowy

Zapewne intuicyjnie czujesz, że sensowne byłoby zastosowanie dodatkowych diod, pozwalających na wykorzystanie drugiej połówki cyklu, traconej bezpowrotnie w przypadku prostownika jednopołówkowego. Istotnie – wystarczy bowiem do każdego z zacisków wejściowych podłączyć po dwie diody (jedną – katodą, drugą – anodą), zaś pozostałe, wolne końcówki „zebrać” razem według polaryzacji – anody razem, katody razem. W danej części cyklu napięcia przemiennego, dwie diody są w polaryzacji przewodzenia, zaś pozostałe dwie pozostają zamknięte (polaryzacja zaporowa). Ponieważ obciążenie jest dołączone pomiędzy węzły, tworzone przez te same elektrody, prąd na wyjściu płynie zawsze w tę samą stronę – od połączonych ze sobą katod (+) do anod (-). Dzięki temu sinusoida zostaje „wyprostowana” dwupołówkowo – co prawda sygnał wyjściowy wciąż ma bardzo silne tętnienia, ale przynajmniej wykorzystujemy całą dostępną energię. Aby zredukować problem wahań napięcia pochodzącego z prostownika, na jego wyjściu stosuje się baterię równolegle połączonych kondensatorów elektrolitycznych o stosunkowo dużej pojemności (zależnej od wartości prądu obciążenia) – pełnią one rolę tymczasowego „magazynu energii”, dostarczając prąd do odbiornika w tych momentach, w których napięcie wyjściowe prostownika zaczyna intensywnie spadać. W ten sposób można efektywnie wygładzić przebieg napięcia zasilającego układ, a zastosowanie dodatkowego stabilizatora scalonego umożliwia praktycznie całkowite zredukowanie tętnień, co ma znaczenie w przypadku układów wrażliwych na wahania napięcia – np. obwodów analogowych audio, urządzeń pomiarowych czy też systemów bazujących na mikrokontrolerach. Teraz już wiesz, dlaczego otwierając wysokiej klasy wzmacniacz akustyczny, w jego obudowie znajdziesz zgrupowanie ogromnych „elektrolitów” o pojemności zazwyczaj przekraczającej 1000 uF – to właśnie filtr zasilania, współpracujący z prostownikiem dwupołówkowym.

Zastosowania mostków prostowniczych

Jak już wiesz, mostki prostownicze są wykorzystywane przede wszystkim w aplikacjach zasilaczy transformatorowych, umożliwiając wstępną konwersję napięcia przemiennego na (silnie tętniące) napięcie stałe. To jednak nie koniec zastosowań tych przydatnych elementów; można je spotkać także w różnego rodzaju zasilaczach impulsowych (przetwornicach AC/DC), które – choć także zapewniają izolację galwaniczną pomiędzy obwodem wyjściowym, a siecią energetyczną – bazują już nie na obniżaniu napięcia za pomocą transformatora, ale właśnie na przetwarzaniu impulsowym z wykorzystaniem elektronicznego kluczowania o wysokiej częstotliwości (zwykle na poziomie wielu kiloherców).

Warto dodać, że mostki prostownicze można także znaleźć w obwodach tzw. zasilaczy beztransformatorowych. Układy te są powszechnie stosowane w urządzeniach, w przypadku których praktycznie nie istnieje ryzyko kontaktu galwanicznego ciała użytkownika z elementami pracującego obwodu. Wynika to z faktu, iż zasilacze beztransformatorowe nie posiadają żadnej bariery galwanicznej pomiędzy siecią energetyczną a obwodem wyjściowym (niskonapięciowym) – w przypadku dotknięcia któregoś z punktów układu istnieje bowiem bardzo wysokie ryzyko śmiertelnie niebezpiecznego porażenia elektrycznego. Zadanie mostka prostowniczego jest jednak wciąż takie samo – odwraca on „ujemne połówki” sinusoidy (obniżonego za pomocą szeregowego kondensatora) napięcia przemiennego do filtru wygładzającego i – dalej – do obwodów zasilanego urządzenia.

Warto dodać, że mostki prostownicze doczekały się także wersji znacznie nowocześniejszej, choć w praktyce spotykanej znacznie rzadziej – zamiast zwykłych diod prostowniczych bazują one bowiem na „inteligentnie” sterowanych tranzystorach MOSFET, przełączanych synchronicznie ze zmianami napięcia sieci. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć straty mocy – pamiętaj bowiem, że w zwykłym mostku napięcie wyjściowe jest zawsze niższe od napięcia wejściowego o podwojoną wartość napięcia przewodzenia diod, równego zwykle około 1 V.