Egyenirányító

Az egyenirányító olyan elektronikus áramkör, amelynek feladata a váltakozó áram (AC) átalakítása egyenárammá (DC). Ez a folyamat az elektrotechnika egyik alapvető művelete, hiszen a váltakozó áramú hálózati táplálás számos esetben nem kompatibilis az elektronikai alkatrészek (pl. integrált áramkörök, félvezető eszközök) egyenfeszültség-igényével. Az egyenirányító működése során a diódák egyirányú áramvezetését kihasználva a bemeneti jel félhullámos vagy teljes hullámos formára korlátozódik, miközben a kimeneten létrejövő lüktető feszültséget szűrőelemekkel simítják.

Az egyenirányító szerepe

Egyenirányító áramkört leginkább tápegységekben használnak. A tápegységben a tápegység rendeltetésétől függően több helyen is alkalmazhatnak egyenirányító kapcsolást:

• Hálózati feszültség közvetlen egyenirányítása
• Transzformátor által leválasztott és átalakított, hálózati frekvenciájú feszültség egyenirányítására
• Nagyfrekvenciás vagy impulzusfeszültség egyenárammá alakítása (kapcsolóüzemű tápegységek)

A dióda mint egyenirányító

A legegyszerűbb egyenirányító eszköz a dióda. Régen, elektroncsöves kapcsolásoknál sokszor ezt az egyenirányítási módszert használták a hálózati feszültség egyenirányítására, azonban mára ez a módszer már nem használatos, mivel életvédelmi és biztonsági problémát jelent. Ha régi, elektroncsöves készüléket (különösen televíziót) bontunk meg, számolni kell azzal a veszéllyel, hogy a készülék belső fémrészi hálózati feszültségen vannak!

A hálózati feszültség közvetlen egyenirányítását kapcsolóüzemű tápegységek primer körében is alkalmazzák (Graetz-híd), de ez a primer kör galvanikusan el van választva a rendszer többi részétől. A tápegységek megbontása, javítása szintén veszélyes és körültekintést igénylő feladat.

Az alábbi kapcsolásnál egy diódára kapcsolunk 10 V-os 50 Hz-es szinuszos váltófeszültséget:

A D1 dióda egy szilíciumdióda, tehát az egyenirányítás mellett 0,7 V feszültségesés is történik. A kapcsoláson mérjük a dióda előtt (Pr1) és a dióda után (Pr2) is a feszültségeket. A kapcsoláson egy tranziens szimulációt végzünk, melynek időtartama 0,1 másodperc.

A felső ábrán jól látható, hogy a dióda a váltóáram egyik félperiódusát engedi csak át. A piros, szaggatott vonal az eredeti váltófeszültséget mutatja, a kék pedig a dióda által vágott feszültséget. Az alsó ábrán a felső ábra felső része látható kinagyítva, itt megfigyelhető a dióda által ejtett feszültség is, jelen esetben ez 0,7 V.

A dióda az adott diódára jellemző feszültséget mindig ejti, függetlenül attól, hogy mekkora feszültséget egyenirányítunk. Ez a feszültség diódától függően 0,5 - 0,8 V körüli. Ebből adódik, hogy nagyon kis feszültséget diódával irányítani gazdaságtalan, továbbá a dióda feszültségénél kisebb feszültséget nem lehet egyenirányítani.

A hálózati feszültség közvetlen egyenirányítása

Kapcsolóüzemű tápegységeknél nem használnak hálózati transzformátort, itt a hálózati feszültséget közvetlenül egyenirányítják, amelyet egy földfüggetlen, impulzusfeszültséget előállító áramkörbe vezetnek. Ennek az áramkörnek mind a megtáplálása, mind az általa előállított impulzusjel feszültsége nagyfeszültség, így galvanikusan el van választva a készülék többi részétől.

Az impulzusfeszültséget a Tr1 transzformátor transzformálja a megfelelő feszültségértékre, amelyet valamilyen egyenirányító kapcsolás egyenirányít (a képen kétutas egyenirányító). Ezt a nagyfrekvenciás váltófeszültséget sokkal gazdaságosabban és sokkal kisebb méretű transzformátorokkal lehet transzformálni, mint az 50 Hz-es hálózati feszültséget. A transzformátor itt gondoskodik a galvanikus elválasztásról és a földpont kialakításáról is.

Bővebben: Kapcsolóüzemű tápegység

Az egyenirányító kapcsolások összehasonlítása

• fázisáram
• útszám: megmutatja, hogy a tápláló transzformátor szekunder tekercsében egy periódusidő alatt milyen irányban folyik áram (egy- vagy kétutas)
• ütemszám: megmutatja, hogy egy bemenő periódus alatt a kimenő áramnak hány hulláma van.

Egyenirányító kapcsolások[1]

	Egyutas egyenirányító	Kétutas egyenirányító	Graetz-hidas egyenirányító
Áramköri rajz
Diagram
Kivehető teljesítmény	${\displaystyle P_{ki}={\frac {P_{TR}}{3,1}}}$	${\displaystyle P_{ki}={\frac {P_{TR}}{1,48}}}$	${\displaystyle P_{ki}={\frac {P_{TR}}{1,24}}}$
Búgófeszültség frekvenciája	${\displaystyle f_{b}=f_{TR}}$	${\displaystyle f_{b}=2f_{TR}}$
Búgófeszültség értéke	${\displaystyle {\frac {U_{b}}{U_{ki}}}=1,21}$	${\displaystyle {\frac {U_{b}}{U_{ki}}}=0,481}$
Egy dióda záróirányú feszültségigénybevétele	${\displaystyle U_{D}=2,4U_{ki}}$	${\displaystyle U_{D}=2,25U_{ki}}$	${\displaystyle U_{D}=1,13U_{ki}}$
A transzformátor szekunderáramának effektív értéke	${\displaystyle I_{TR}=1,57I_{ki}}$	${\displaystyle I_{TR}=0,785I_{ki}}$	${\displaystyle I_{TR}=1,11I_{ki}}$
Útszám	1	2	1
Ütemszám	1	2	2

Egyutas együtemű

A kapcsolás csak a szinuszjel pozitív (felső) részét engedi át a dióda miatt, ebből ered az együtemű elnevezés.

${\displaystyle U_{ki}=U_{2}-U_{d}}$

Egyutas kétütemű

A kapcsolás az elektroncsöves egyenirányítók korában alakult ki. Középkivezetéses, kettős szekunder tekercsű transzformátort igényel.

Működése: a középkivezetéshez képest az egyik félperiódusban az egyik, másik félperiódusban a másik dióda kap nyitóirányú előfeszítést.

Kétutas kétütemű

A félvezető egyenirányítók feleslegessé teszik a középkivezetéses transzformátort, mert négy darab diódával olyan hídkapcsolás hozható létre, mely mindkét félperiódusban a terhelésen azonos áramirányt biztosít.^[2] A hídkapcsolású egyenirányítók egyedi diódákból is kialakíthatók, de gyártanak komplett hidakat is.

• Az egyenirányítók kimenő feszültsége

Az egyenirányítók kimenetén lüktető egyenfeszültség jelenik meg, a fogyasztón e feszültség átlagértéke végez munkát, ez integrálszámítással határozható meg.

Kétütemű egyenirányítók

Mivel mindkét félperiódusban van egy hullám, az átlagérték kétszerese az együteműnek. Az egyenirányított feszültség egy egyenfeszültségű összetevőből, valamint egy váltakozó összetevő szuperpozíciója, e váltakozó összetevő 100 Hz frekvenciájú. Ez a lüktetés csak kevés esetben viselhető el, mert a tápfeszültség ingadozását eredményezi. Ezt a lüktetést, mivel hallható, „búgófeszültségnek” nevezik.

• A búgófeszültség csökkentése

Az egyenirányító kimenetére kötött nagy kapacitású kondenzátor a csúcsértékére töltődik, és a terhelő áram függvényében csökkenti a kimenő feszültség ingadozását, ezt a kondenzátort „puffer” kondenzátornak nevezik. Kétütemű egyenirányítóknál a búgófeszültség feleakkora.

Szűrők[1]

Az egyenirányító kapcsolások önmagukban nem tiszta egyenáramot adnak, hanem csak félbevágják a váltóáramot. Ezt a félbevágott váltóáramot búgófeszültségnek nevezzük. Hogy ebből egyenáram legyen, ezt a búgófeszültséget el kell simítani.

Szűrés kondenzátorral

A szűrőkondenzátor optimális mérete:

${\displaystyle C_{1}={\frac {U_{b}}{U_{ki}}}{\frac {30I_{ki}}{2\pi f_{b}U_{TR}}}}$

A kondenzátor minimális feszültségtűrése:

${\displaystyle U_{C_{1}}={\sqrt {2}}U_{TR}}$

Az alábbi diagramon különféle kapacitású kondenzátorokkal lett végezve tranziens analízis:

A szűrő a kimeneten 1 A-rel volt terhelve.

• szaggatott kék vonal: szűretlen búgófeszültség.
• Zöld vonal: C1 = 1000 μF
• Kék vonal: C1 = 4000 μF
• Piros vonal: C1 = 8000 μF

Az egykondenzátoros szűrés hátránya, hogy nem növelhető a kondenzátor kapacitása bármeddig, mert minél nagyobb kapacitású kondenzátort használunk, annál nagyobb lesz az indulási töltőáram. Ha az indulási töltőáram meghaladja a diódákon átvezethető maximális áramerősséget, akkor a diódák tönkremennek.

Szűrés RC taggal

Az RC szűrőnél az R1 soros ellenálláson nemcsak a búgófeszültség esik, hanem jelentős lehet az egyenfeszültség esése is. Ezt a szűrőtagot olyan esetben használjuk, ahol a kimeneti egyenáram kicsi, vagy ahol az R1 ellenálláson eső egyenfeszültség csökkenése megengedhető.

${\displaystyle \beta ={\frac {U_{bC_{1}}}{U_{bC_{2}}}}={\frac {1,6}{R_{1}C_{2}}};R(k\Omega ),C(\mu F)}$

${\displaystyle U_{bC_{2}}=\beta U_{bC_{1}}}$

Szűrés LC taggal

Az LC szűrőknél a fojtótekercs váltakozófeszültségű összetevőknél nagy ellenállást jelent, az egyenáram részére pedig kis ellenállást, így ezt a szűrőtagot nagy kimeneti áramoknál is használhatjuk.

${\displaystyle \beta ={\frac {U_{bC_{1}}}{U_{bC_{2}}}}={\frac {2,5}{L_{1}C_{2}}};L(H),C(\mu F)}$

${\displaystyle U_{bC_{2}}=\beta U_{bC_{1}}}$

Az LC szűrőtagnál törekedni kell a rezonancia elkerülésére, ezért az L1 és C elemek értékét úgy kell megválasztanunk, hogy a következő egyenlőtlenség álljon fenn:

${\displaystyle 4\pi f_{LC}<<2\pi f_{TR}}$

A búgófeszültség több szűrő láncba kapcsolásával tovább csökkenthető.

Szimmetrikus egyenirányítók

Szimmetrikus egyenirányításról akkor beszélünk, amikor a váltóáram egyik félperiódusából pozitív, a másik félperiódusából pedig negatív egyenfeszültséget nyerünk ki.

Egyutas szimmetrikus egyenirányító

Kétutas együtemű szimmetrikus egyenirányító

A kapcsolás hasonlít a kétutas egyenirányító kapcsoláshoz. A különbség, hogy az egyik dióda fordított polaritással van bekötve, és a két dióda kimenete nem közösítve van, hanem az egyik ágban a pozitív, a másik ágban pedig a negatív félperiódus van kivezetve.

A diagramon látható, hogy ez a kapcsolás a váltóáram egyik félperiódusát használja ki:

Kétutas kétütemű szimmetrikus egyenirányító

Szimmetrikus egyenirányító Graetz-híddal

A földpontot a szimmetrikus transzformátor középleágazása adja. A Graetz-híd negatív sarka itt nem a földponthoz csatlakozik, mivel itt ez adja a földponthoz képest a negatív feszültséget.

Szimmetrikus egyenirányítók búgófeszültség szűrése

A szimmetrikus egyenirányítóknál a búgófeszültség szűrése megegyezik a normál egyenirányítóknál leírtakkal, viszont itt mindkét ágban meg kell valósítani a szükséges szűrőkapcsolást.