W sieci energetycznej i domowej wykorzystuje się prąd przemienny, podczas gdy urządzenia elektroniczne często wymagają zasilania prądem stałym. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu prostownika – urządzenia zamieniającego prąd przemienny na stały.

Dioda jest jednym z najważniejszych elementów prostownika. Jest to element półprzewodnikowy, który przewodzi prąd tylko w jedną stronę. Istnieje wiele rodzajów diod, wśród nich np. takie, które dodatkowo świecą – są to bardzo popularne diody LED.

Pojedyncza dioda pozwala na tzw. prostowanie jednopołówkowe – dioda przepuszcza prąd tylko w jedną stronę, a dla prądów płynących w drugą stronę prostownik jest zawsze zamknięty. Na Rys. 1. przedstawiono dwa wykresy obrazujące sposób działania pojedynczej diody jako prostownika – znajdująca się po lewej stronie zależność napięcia od czasu prezentuje napięcie podawane ze źródła, natomiast wykres po prawej przedstawia napięcie uzyskiwane na elemencie połączonym szeregowo z diodą – zauważmy, że przez połowę czasu napięcie wynosi zero, co oznacza, że prąd w tym czasie w ogóle nie płynie przez rozważany element.

Rys. 1.

Jeśli mamy do dyspozycji cztery diody, możemy zbudować układ pozwalający wykorzystywać napięcie przemienne przez cały czas – układ ten nazywany jest mostkiem Graetza. W jego przypadku mamy do czynienia z prostowaniem dwupołówkowym. Na Rys. 2. Przedstawiono mostek Graetza podłączony do źródła napięcia przemiennego (źródło znajduje się pomiędzy zaciskami A i B). Do układu dołączony jest także opornik (między punktami C i D).

Rys. 2.

Zauważmy, że nieważne czy w danym momencie wyższy potencjał znajduje się na zacisku A (lewa część Rys. 3.) czy też na zacisku B (prawa część Rys. 3.), to prąd płynie przez opornik tylko w jedną stronę – od punktu C do punktu D (natężenie prądu zaznaczono na Rys. 3. w obu sytuacjach czerwonymi strzałkami).

Rys. 3.

Zastosowanie mostka Graetza sprawia więc, że wykresu napięcia przemiennego podawanego ze źródła jest nie tylko wycinana (jak miało to miejsce w przypadku prostowania jednopołówkowego), ale „odwracana”, dzięki czemu wykorzystujemy pełen okres napięcia źródłowego. Na Rys. 4. przedstawiono po jego lewej stronie wykres zmian napięcia podawanego ze źródła, a po jego prawej stronie zawarto wykres zmian napięcia na oporniku umieszczonym pomiędzy punktami C i D.

Rys. 4.

Przykład:

Do zacisków A i B obwodu przedstawionego na rysunku poniżej podłączono napięcie przemienne o wartości skutecznej . Wartości oporów są identyczne i wynoszą . Oblicz moc średnią prądu w obwodzie. Pomiń spadek napięcia na diodach.

Rozwiązanie:

Moc średnią obliczamy ze wzoru:

Ponieważ do obwodu podłączone są diody, to w zależności od znaku napięcia na zaciskach, prąd będzie płynął przez obwód w różny sposób. Średnia moc odpowiada natomiast energii wydzielonej na elementach obwodu w czasie całego okresu zmian napięcia. Kiedy w punkcie A znajduje się plus, prąd nie będzie płynął przez diody (patrz rysunek poniżej).

Oporniki w tym przypadku połączone są ze sobą szeregowo. Obliczmy opór zastępczy dla takiego połączenia:

Wydzielona moc w tej sytuacji wynosi:

W drugim półokresie, kiedy prąd płynie w przeciwnym kierunku, może on płynąć przez wszystkie diody i oporniki – przedstawiono to na rysunku poniżej. Na rysunku diody zastępujemy przewodami, ponieważ pomijamy spadek napięcia na diodach, a otrzymany schemat upraszczamy.

Zauważmy, że w tym przypadku oporniki połączone są równolegle, zatem opór zastępczy dla tego połączenia obliczymy następująco:

Moc wydzielona w tej sytuacji:

Moc średnią  obliczymy jako średnią arytmetyczną mocy  i , ponieważ czas przepływu prądu był taki sam w obu przypadkach. Zatem:

Zadania do zrobienia:

1. Do zacisków A i B obwodu przedstawionego poniżej podłączono napięcie przemienne o wartości skutecznej . Wartości oporów są jednakowe i wynoszą . Oblicz średnią moc w obwodzie, pomijając spadek napięcia na diodzie.

Odp.:

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-elektromagnetyzm-3