Obr.1

Zatímco na výstupu transformátoru je střídavé napětí, jedna půlvna je záporná, druhá kladná, pak za usměrňovací diodou je pouze kladná půlvlna. Dioda záporné půlvlny nepropustí. Výsledkem je pulzující napětí. Když za diodu připojíme filtrační kondenzátor - viz obr.2, dosáhneme toho, že kladná půlvlna kondenzátor nabíjí a v době, kdy na výstupu diody žádná půlvlna není (tj. v době, kdy z transformátoru vystupuje záporná půlvlna), se kondenzátor vybíjí do zátěže. Výstupní napětí na zátěži již není pulzující, ale je trochu vyhlazené. Toto zapojení lze však použít pouze pro malé výstupní proudy, v řádech mA nebo nejvýše několika desítek mA. Čím vyšší totiž bude odebíraný proud, tím bude vyhlazení horší, protože kondenzátor se bude rychleji vybíjet. Zvětšování kondenzátoru je sice možné, ale má to následek, že také nabíjecí proud bude velký. To povede ke ztrátám na diodě, která se tak bude neúměrně zahřívat. Jednocestné usměrňovače se používají např. pro získání vysokých napětí, kde nejsou nutné vysoké proudy.

Obr.2

Lepším řešením než jednocestný usměrňovač, je usměrnění obou půlvln střídavého napětí. Použitím dvou diod pro kladnou půlvlnu a dvou diod pro zápornou půlvlnu, dosáhneme mnohem lepšího výsledku.

Obr.3

Obrázek 4 ukazuje cestu proudu přes diody. Při kladné půlvlně prochází proud jedním párem diod a při záporné půlvlně prochází proud druhým párem diod.Tomuto zapojení se říká Graetzův můstek.

Obr.4

Také v tomto případě na výstup Graetzova můstku můžeme zapojit filtrační kondenzátor za účelem vyhlazení výstupního napětí. Nedostatkem Graetzova můstku je nutnost použít čtyři usměrňovací diody. Na každé diodě totiž dochází k úbytku napětí. Toto napětí na diodě se označuje v katalogových listech diod jako U_f a je nelineárně závislé na proudu procházející diodou. U křemíkových usměrňovacích diod bývá toto napětí 0.7V a roste s procházejícím proudem. Přirozeně se tak každá dioda zahřívá výkonem

Přitom u Graetzova můstku jsou v sérii dvě diody pro každou půlvlnu. Ztráty na diodách lze částečně snížit použitím tzv. Schottkyho diod, které mají nižší U_f. Výhodou Graetzova můstku je možnost použití transformátoru s jedním vinutím.
Další možností je použít transformátor s vyvedeným středem, respektive s dvěmi vinutími, kde konec prvního vinutí navazuje na začátek druhého vinutí a je vyveden z transformátoru jako tzv. "střed". V tomto případě ušetříme dvě diody.

Obr.5

Následující obrázek ukazuje průběh proudu při kladné půlvlně a při záporné půlvlně.

Obr.6

Když zkombinujeme Graetzův usmerňovač s transformátorem s vyvedeným středem, dostaneme zapojení dle obr 7, tedy symetrický dvoucestný usměrňovač. Diody D1 a D2 tvoří kladný zdroj pro zátěž R1 a diody D3 a D4 tvoří záporný zdroj pro zátěž R2. Výstupní napětí obou zdrojů jsou vztažena k tzv. "zemi", kterou představuje vyvedený střed transformátoru.

Obr.7

Filtrace výstupního napětí

Výstupní napětí z jednocestného usměrňovače pulzuje kmitočtem sítě, tedy 50Hz, v případě dvoucestného usměrňovače je na výstupu dvojnásobek pulzů, tedy 100 Hz. Pomocí filtračních kondenzátorů dosáhneme sice vyhlazení, ale nikdy nebude dokonalé, vždy se bude výstupní napětí mírně vlnit. Vlnění výstupního napětí bude závislé na proudovém odběru a velikosti filtračního kondenzátoru.

Násobiče napětí

Vraťme se k předchozímu obrázku (obr.7), který zobrazuje symetrický dvoucestný usměrňovač. Když každou větev doplníme filtračními kondenzátory C1 a C2 (obr. 8), získáme na výstupu proti společné zemi, tedy středu transformátoru dvě napájecí napětí - kladné U1 a záporné U2. Mezi kladným výstupem zdroje a záporným výstupem zdroje však dostaneme dvojnásobek, tedy součet napětí U1 a U2

Obr.8

Podobně lze upravit jednocestný usměrňovač z obr.2. Přidáním diody a kondenzátoru vznikne zdvojovač napětí, ovšem na úkor proudu.

Obr.9

Jak vybrat diody pro usměrňovač

V prvé řadě pro volbu diod potřebujeme znát:

• střídavé efektivní napětí na vstupu diody
• proud který bude dioda usměrňovat

• střídavé efektivním napětím
• špičkovým napětím
• středním napětím

Obr.10

Zeleně vyznačená plocha u střídavého napětí a u stejnosměrného napětí je hodnota přenášené energie a ta se musí rovnat v obou případech. Energie se nemůže ztratit. Pomíjíme zde ztráty na usměrňovacích diodách.

Jestliže nyní známe vztah mezi efektivní hodnotou a špičkovou hodnotou střídavého napětí, můžeme přikročit k výběru vhodné diody. Ke každé diodě existuje výrobcem vydaný katalogový list. Tzv. "datasheet". V něm jsou uvedeny mezní hodnoty diody. Vezměme například katalogový list diody 1N4001 od OnSemiconductor. Na straně 2 nahoře je tabulka označená MAXIMUM RATINGS. V této tabulce na 3.řádku je uvedeno napětí V_rms. To je pro diodu 1N4001 uvedeno 35V, pro diodu 1N4002 je to 70V atd.
V prvním řádku tabulky jsou uvedeny hodnoty pro tzv. DC , tedy stejnosměrné blokovací napětí, označované V_rrm. To je maximální napětí, které dioda snese v závěrném směru, tedy stejnosměrné, usměrněné napětí ze strany kondenzátoru. Je to současně špičkové opakovatelné napětí V_rms.
Ve čtvrtém řádku tabulky je hodnota pro maximální střední usměrněný proud diodou I_o.

Přejdeme-li dále, ke třetí, tedy dolní tabulce na straně 2, označené ELECTRICAL CARACTERISTICS, dozvíme se z prvého řádku, že maximální napěťový úbytek V_F na diodě při proudu 1A a teplotě okolí 25°C je typicky 0.93V, maximálně 1.1V. Na stránce 3, hned první graf - Figure 1 - ukazuje závislost tohoto drop out napětí V_F v závislosti na proudu diodou. V grafu jsou tři různé křivky, pro různé teploty okolí. Z křivky pro 25°C je vidět, že při proudu I_F = 0.1A (dolní hrana grafu) bude úbytek na diodě cca 0.81V. S rostoucím proudem poroste napěťová ztráta na diodě. Tím poroste také ztracený výkon na diodě, který je dán vztahem:

Příklad

Budeme mít transformátor, který dává na sekundárním vinutí napětí 50V a maximální proud budeme požadovat 800mA. Z tabulky na straně 2 musíme zvolit diodu 1N4002. Proud diodou je max. 1A, tedy více než námi požadovaných 800mA. Úbytek na diodě při proudu 0.8A zjistíme z grafu a vidíme, že je 0.9V. Ztrátu na diodě pak vypočteme

V Graetzově můstku jsou 4 diody, tedy celkový ztracený výkon bude 4 * 0.72 Watt, tedy 2.88 Watt.

Usměrněné napětí Graetzova můstku je teoreticky V_rms * 1.41. Musíme však odpočítat ztrátu na diodách. Tedy:

Dosažené stejnosměrné napětí 68.7 Volt je dostatečně nižší než blokovací napětí diody 1N4002, které je dle tabulky MAXIMUM RATINGS 100 Volt.

Pokud chceme lepší účinnost usměrňovače, musíme najít vhodnější diodu, která bude mít menší napěťový úbytek V_F. Takové diody existují, nazývají se Schottkyho diody.