Usměrnění střídavého proudu

Přestože, jak jsme již naznačili, se v technice používá převážně střídavý proud, v některých případech je nutné mít stejnosměrný proud. Takový proud je nutný například k napájení rádiových přijímacích a vysílacích zařízení, televizorů, k nabíjení baterií, k elektrolytické výrobě kovů, k pohonu motorů tramvají, trolejbusů a elektrických vlaků a k mnoha dalším účelům. Proto mají velký technický význam zařízení, která umožňují přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný, nebo, jak se říká, usměrnění.

Provoz všech zařízení tohoto druhu – usměrňovačů – je založen na použití tzv. elektrických ventilů, tedy zařízení, která propouštějí proud v jednom směru a neprocházejí jej v opačném směru. Jeden z těchto ventilů již známe. Jedná se o dvouelektrodovou výbojku s horkou katodou (§ 106). Připojíme-li takovou výbojku do sítě střídavého proudu sériově se zátěží, pro kterou potřebujeme stejnosměrný proud (obr. 315), pak proud bude procházet obvodem pouze během půlperiody, kdy je žhavené vlákno katodou a studená deska je anodou. V další půlperiodě, kdy studená deska slouží jako katoda a horké vlákno jako anoda, proud nemůže téci, protože elektrony emitované vláknem nebudou polem přitahovány k desce, ale naopak budou odpuzovány zpět k vláknu. Proto bude proud v zátěži přímý, to znamená, že se jeho směr nezmění. Tvar takového pulzujícího stejnosměrného proudu je na Obr. 316. Tento obvod pro usměrnění střídavého proudu se nazývá půlvlnný obvod.

Rýže. 315. Obvod půlvlnného usměrňovače

Rýže. 316. Průběh proudu s jednopůlvlnným usměrněním

Pro vyhlazení kolísání síly proudu v obvodu se používá složitější, dvoupůlperiodický, usměrňovací obvod, znázorněný na Obr. 317. Zde je síťové napětí přiváděno na primární vinutí transformátoru a střed sekundárního vinutí je připojen na samostatnou svorku. Je jasné, že během jedné půlperiody má svorka vyšší potenciál vzhledem ke středu, tj. je vůči němu plus, a bod je mínus. V dalším pololetí bude naopak plus ve vztahu ke středu bod a mínus bod.

Rýže. 317. Schematické schéma celovlnného usměrňovače

Krajní body transformátoru jsou napojeny na anody dvou usměrňovacích lamp, jejichž katody jsou vzájemně spojeny a vyhřívány samostatnou baterií nebo samostatným snižovacím vinutím na transformátoru. Zatížení, jak je patrné z obr. 317, je zapojen mezi střed transformátoru a katody obou usměrňovacích trubic. Během půlperiody, kdy je bod kladný vůči bodu a bod je záporný, proud prochází pouze první lampou, zatímco druhá je uzavřena, tj. neprochází proud. Během dalšího půlcyklu si lampy vymění role: první lampa je uzamčena a proud prochází pouze druhou. Směry těchto proudů jsou znázorněny na Obr. 317 šípů. Vidíme, že proud protéká zátěží během obou půlperiod stejným směrem. Tvar tohoto proudu je znázorněn na Obr. 318 přerušovaná čára.

Rýže. 318. Průběh proudu s celovlnným usměrněním

K dalšímu vyhlazení pulzací usměrněného proudu se používají tzv. filtry. Nejjednodušším filtrem je kondenzátor s dostatečně velkou kapacitou, zapojený paralelně se zátěží. Tento kondenzátor, znázorněný přerušovanou čarou na obr. 315, se nabíjí během půlperiody, kdy proud prochází usměrňovací lampou, a během další půlperiody se vybíjí přes přijímač energie, takže proud v něm zůstává po celou dobu.

Ještě pokročilejší je filtr skládající se z cívky s železným jádrem, které má vysokou indukčnost, a dvou kondenzátorů. Cívka je zapojena do série s přijímačem energie a kondenzátory jsou s ní paralelně: jeden před cívkou, druhý za ní (obr. 317). E.d.s. samoindukce v cívce působí proti změnám proudu. Při jeho nárůstu ho oslabuje a při poklesu podporuje. Vyhlazený průběh proudu je znázorněn na Obr. 318 plná přerušovaná čára.

Dvouelektrodové vakuové usměrňovací elektronky se žhavícími katodami se nazývají kenotrony (§ 106). Velmi se rozšířily v rozhlasových přijímačích, televizorech a dalších rádiových zařízeních.

Kenotrony mohou samy procházet pouze relativně slabé proudy, do několika desítek miliampérů. V případech, kdy je potřeba usměrňovat velké proudy (až 50 A), se místo kenotronů používají tzv. plynové usměrňovače (obr. 319). Jedná se také o dvouelektrodovou výbojku s vyhřívanou katodou a kovovou nebo uhlíkovou anodou, ale na rozdíl od kenotronu, ve kterém je vzduch co možná nejúplněji odčerpán, je gastronádoba naplněna rtuťovými parami nebo inertním plynem. Elektrony emitované ze zahřáté katody ionizují atomy rtuti během kolizí na cestě k anodě. Kladné ionty, které se v tomto případě objevují, přispívají ke zvýšení emise z katody, takže proud gastronem může být podstatně větší než kenotronem.

Rýže. 319. Gastron: a) vzhled; b) konvenční označení

Konečně v případech, kdy je potřeba usměrňovat proudy velmi vysokého výkonu (až 200 A při napětí do 50 kV), se jako ventily používají tzv. rtuťové usměrňovače. Jsou to velké skleněné nebo kovové baňky (obr. 320), ve kterých dochází k obloukovému výboji ve rtuťových parách mezi katodou 1 (kapalná rtuť) a grafitovými elektrodami 2 a 3, zapájenými do bočních větví. V zařízení jsou obsaženy další elektrody 4 a 5, zajišťující provoz usměrňovače při nízké zátěži. Rtuť v přídavné větvi 6 slouží k zapálení oblouku. Oblouk v baňce může hořet pouze tehdy, když je katodou kapalná rtuť. Současně se na povrchu rtuti tvoří jasně zářící skvrna, což je vyhřívaná oblast rtuti. Z této oblasti dochází k intenzivnímu odpařování rtuti, jejíž páry pod vysokým tlakem naplní celou baňku. Toto stejné místo je také zdrojem elektronů, které se pohybují vlivem elektrického pole k jedné z elektrod 2 a 3, která je v současné době kladná vůči rtuti a druhé anodě.

Rýže. 320. Zařízení rtuťové usměrňovací

Takový usměrňovač je zapojen podle schématu dvoupůlperiodického usměrnění a během jedné půlperiody hoří oblouk mezi katodou 1 a anodou 2 a během druhé – mezi katodou 1 a anodou 3. V tomto případě proud v zátěži teče vždy stejným směrem. Zejména téměř všechny rozvodny zásobující elektrické dráhy, tramvaje a trolejbusy jsou vybaveny takovými rtuťovými usměrňovači.

Spolu s popsanými elektronickými nebo plynovými výbojovými usměrňovači se v poslední době rozšířily polovodičové nebo polovodičové usměrňovače, které byly probrány v kapitole. IX. Jsou součástí usměrňovacích zařízení používajících stejné jedno- a dvouperiodické usměrňovací obvody jako plynové usměrňovače nebo kenotrony.

Na výkresech jsou polovodičové ventily obvykle označeny symbolem znázorněným na obr. 321. Směr hrotu udává směr toku proudu. Jinými slovy, zařízením označeným tímto znakem prochází proud pouze tehdy, když elektroda znázorněná trojúhelníkem je anoda (plus) a elektroda znázorněná deskou je katoda (mínus).

Rýže. 321. Konvenční označení polovodičových elektrických ventilů