Współczesna elektronika opiera się na zasilaniu prądem stałym. Jednak sieć elektryczna dostarcza prąd zmienny. Aby rozwiązać tę różnicę, stosuje się prostowniki, z których szczególnie ważną rolę odgrywają prostowniki mostkowe.
Mostek prostowniczy to obwód elektroniczny, który przekształca prąd przemienny w pulsujący prąd stały. Ujemna połowa napięcia przemiennego jest odwracana, aby wzmocnić dodatnią połowę.
W wyniku działania takiego układu otrzymujemy pulsujący prąd stały, który można następnie wygładzić, aby uzyskać niemal czyste napięcie stałe.
Działanie prostownika mostkowego opiera się na właściwościach diod, które przepuszczają prąd wyłącznie w jednym kierunku. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu czterech diod w układzie mostkowym, prąd zmienny jest skutecznie prostowany.
W tym poradniku szczegółowo omawiamy zasadę działania oraz różne rodzaje prostowników mostkowych. Przedstawiamy również ich przewagę nad innymi typami prostowników i pokazujemy, gdzie znajdują zastosowanie w praktyce.
Jak już wspomniano, prostownik mostkowy przekształca prąd przemienny na stały. Zwykle składa się z czterech diod (D1 do D4) ułożonych w układzie mostkowym. Ponieważ diody przewodzą prąd tylko w jednym kierunku, możliwe jest przekształcenie dodatnich i ujemnych połówek fali prądu przemiennego w pulsujący prąd stały. Aby wygładzić tę pulsację, stosuje się zazwyczaj kondensator (C) umieszczony za mostkiem. Prostowniki mostkowe znajdują głównie zastosowanie w układach zasilania urządzeń elektronicznych oraz w zasilaczach.
Dodatnia półfala na wejściu
Obwód składa się z czterech diod (D1, D2, D3, D4), które są ułożone w formie mostka. Prąd zmienny jest podawany w dwóch przeciwległych końcach mostka, podczas gdy pozostałe dwa końce są wyjściami, z których pobierany jest prąd prostowany.
Ujemna półfala na wejściu
Jeśli występuje dodatnia półfala zmiennego napięcia wejściowego, diody D1 i D2 przewodzą prąd, podczas gdy diody D3 i D4 są zablokowane (rysunek 1). Podczas ujemnej półfali, diody D3 i D4 są zasilane, podczas gdy diody D1 i D2 są blokowane (rysunek 2). W obu półfalach prąd przepływa przez obciążenie w tym samym kierunku, co skutkuje pulsującym napięciem stałym. Prostownik mostkowy skutecznie sumuje obie półfale prądu przemiennego i zapewnia, że prąd w obciążeniu zawsze płynie w tym samym kierunku.
Prostownik mostkowy może wykorzystywać diody Schottky’ego zamiast standardowych diod krzemowych. Ich główną zaletą jest niższy spadek napięcia w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań. Dzięki temu charakteryzują się większą wydajnością, szczególnie przy pracy z niskimi napięciami i wysokimi częstotliwościami. Istnieją jednak również prostowniki mostkowe, które nie opierają się na diodach. Przykładem są mostki z aktywnym sterowaniem, gdzie zamiast diod stosuje się przełączniki, takie jak tranzystory MOSFET. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie bardzo niskiego spadku napięcia oraz wysokiej efektywności, ponieważ w stanie aktywnym przełączniki wykazują minimalny opór.
Z kolei prostowniki mostkowe oparte na tyrystorach wykorzystują sterowalne elementy półprzewodnikowe, które stają się przewodzące po osiągnięciu określonego napięcia. Tego typu układy są często stosowane w regulacji fazowej i prostownikach z kontrolowanym napięciem wyjściowym, na przykład w ściemniaczach do sterowania oświetleniem LED.
Jednofazowy prostownik mostkowy
Najczęściej stosowany typ prostownika do przetwarzania prądu przemiennego, który zazwyczaj składa się z czterech diod w układzie mostkowym.
Działa jak pokazano powyżej i może być zasilany z normalnej, jednofazowej sieci elektrycznej.
Trójfazowy prostownik mostkowy
Trójfazowy prostownik mostkowy jest specjalnie zaprojektowany do zasilania trójfazowego. Jest on często używany w aplikacjach wymagających większej mocy, takich jak systemy przemysłowe, napędy silnikowe i większe urządzenia elektryczne.
Prostownik trójfazowy, w przeciwieństwie do typu jednofazowego, składa się zwykle z sześciu diod ułożonych w specjalnej konfiguracji w celu prostowania trzech faz prądu przemiennego. Każda faza wejścia trójfazowego jest podłączona do dwóch diod - jednej dla dodatniej półfali i jednej dla ujemnej półfali.
Wykorzystanie wszystkich trzech faz prądu przemiennego sprawia, że prąd wyjściowy jest znacznie łagodniejszy niż w przypadku jednofazowego prostownika mostkowego, ponieważ wynikowy prąd stały ma mniej wahań. To sprawia, że trójfazowy mostek prostowniczy jest bardziej wydajny i nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności.
Prostownik mostkowy ma kilka zalet w porównaniu z innymi typami prostowników. Jak wspomniano, wykorzystuje on zarówno dodatnią, jak i ujemną półfalę napięcia przemiennego, co skutkuje bardziej wydajną przemianą na napięcie stałe.
Dzięki temu, że obie półfale są sumowane, średnie napięcie wyjściowe jest wyższe niż przy użyciu prostownika półfalowego, który wykorzystuje tylko jedną półfalę. Ponadto na wyjściu prostownika mostkowego występuje mniej wahań niż w przypadku prostownika półfalowego, co skutkuje bardziej płynnym napięciem stałym. Ta zaleta jest ważna zwłaszcza w zastosowaniach wymagających stabilnego napięcia stałego.
Chociaż prostownik mostkowy wymaga czterech diod, jest on nadal stosunkowo kompaktowy i zajmuje mniej miejsca niż inne obwody prostownicze o porównywalnej mocy. Wszystkie cztery diody są równomiernie obciążane prądem przemiennym, co zmniejsza wpływ na poszczególne diody. Rezultatem jest dłuższa żywotność. Zastosowanie czterech diod zapewnia również pewien stopień redundancji i ochrony przed skokami napięcia i innymi zakłóceniami w sieci energetycznej.
Dostępnych jest kilka opcji montażu. Oprócz klasycznego montażu przelotowego, dostępne są również wersje z otworem przelotowym i do montażu powierzchniowego.
Jednostki zasilające dla urządzeń elektronicznych
Prostowniki mostkowe są częścią zasilacza w prawie wszystkich urządzeniach elektronicznych, które są zasilane z sieci. Przetwarzają one napięcie przemienne z sieci zasilającej na napięcie stałe wymagane przez urządzenia. Przykłady obejmują komputery i telewizory, ale także ładowarki baterii telefonów komórkowych i aparatów cyfrowych.
Napędy prądu stałego
Prostowniki mostkowe zasilają silniki prądu stałego niezbędnym napięciem stałym. Odgrywają one ważną rolę w zastosowaniach przemysłowych, w których wymagane jest precyzyjne sterowanie silnikiem. Należą do nich systemy przenośników, podnośniki i inne maszyny przemysłowe.
Falownik
W falownikach stosowanych w systemach fotowoltaicznych lub zasilaczach bezprzerwowych, prostownik mostkowy przekształca prąd przemienny generowany przez moduły słoneczne w prąd stały, zanim zostanie on ponownie przekształcony w prąd przemienny o wymaganej częstotliwości i napięciu.
Elektryczne aplikacje grzewcze
W systemach grzewczych opartych na prądzie stałym, takich jak nagrzewnice indukcyjne i elektryczne piece łukowe, prostownik mostkowy służy do dostarczania wymaganego prądu.
Elektronika sterująca
Stabilne napięcie stałe jest często wymagane w obwodach sterowania. Prostowniki mostkowe zapewniają niezawodne zasilanie, na przykład dla jednostek sterujących w automatyce i technologii sterowania.
Urządzenia audio
Urządzenia audio, takie jak wzmacniacze lub konsole mikserskie, również wymagają stabilnego napięcia stałego, dostarczanego przez prostowniki mostkowe.
Oświetlenie LED
W sterownikach LED prostownik mostkowy służy do przekształcania napięcia przemiennego sieci zasilającej na napięcie stałe wymagane przez diody LED.