Usměrňovač bez transformátoru

Téměř každý kutil v oboru elektroniky se již setkal s problémem napájení zařízení s nízkou spotřebou energie přímo ze sítě 230V. Pozor, je to nebezpečné, ale zase na druhou stranu to není složité. Takže samozřejmě v prvé řadě musím upozornit na nebezpečí úrazu elektrickým proudem, jelikož takové zařízení není izolované od sítě. Ono existuje několik systémů, které izolaci od sítě nepotřebují, a pokud dodržíme základní bezpečnostní opatření, můžeme použít dále popsané zapojení.

Typické zapojení beztransformátorového zdroje se stabilizací výstupního napětí je uvedeno na obrázku 1.

Obr. 1 – Typické zapojení beztransformátorového usměrňovače.

Proud protékající obvodem C1, R1 a můstkovým usměrňovačem s diodami D1 – D4 je závislý především na hodnotě kapacity kondenzátoru C1 (jeho reaktanci). Hodnotu odporu R1 volíme tak, aby maximální proud v okamžiku zapnutí byl menší než maximální dovolený proud diod v můstku a Zenerovy diody.

Z energetického hlediska systém podle obrázku 1 není příliš dobrý. Zenerova dioda se zahřívá (v závislosti na proudu I1), což má značný vliv na účinnost systému. Teplo vznikající na Zenerově diodě by muselo být odváděno na vnější straně konstrukce pouzdra, a přitom být chladič dokonale izolován od síťového napětí, což mechanickou konstrukci značně komplikuje.

Proto byl vyvinut podobný systém, který sice není příliš složitější, ale zato je u něj ztráta mnohem menší. Jedná se o jednoduchý impulsový stabilizátor s použitím tyristoru, znázorněný na obrázku 2. Jak je ze schématu vidět, hlavním prvkem, na kterém se objeví ztrátový výkon v podobě tepla, je tyristor. Úbytek napětí na něm při proudech nad 1 ampér se rovná přibližně 1V, z čehož je snadné odvodit, že ztrátový výkon na tyristoru je“

P = k * I * U 

kde U = 1V, k je součinitel určující, jaká část proudu teče tyristorem. V nejhorším případě k = 1, čili:

P = I * U = I * 1V.

Obr. 2 – Jednoduchý impulsový stabilizátor

Pro použití tohoto zapojení jako napájecí zdroj 12V 30 mA vychází tyto hodnoty součástek:

R1 – 100 Ohm, 0,25W
C1 – M47 630V
C2 – 100M 16V

Jak toto zapojení pracuje? Předpokládejme, že napětí v síti právě prochází nulou, což způsobí vypnutí tyristoru. Napětí pak vzrůstá a přes diodu D5 nabíjí kondenzátory C2 a C3. Jakmile napětí na nich stoupne nad napětí U_z Zenerovy diody, začne přes ní a odpor R2 protékat proud, který otevře tyristor. Ten zkratuje výstupní napětí na zem, a tím zabrání vzrůstu napětí na C2 + C3 na vyšší hodnotu, než je U_z + U_R2 + U_G kde  U_G  je napětí v propustném směru gate – katoda tyristoru, které pro zde použitý tyristor KT206/400 se rovná asi 0,12V, při použití jakéhokoli jiného typu doporučuji nahlédnout do katalogu (datasheetu). Stabilizované napětí v tomto zapojení je tedy rovno U_z a zvlnění závisí na proudu odebíraném z napájecího zdroje a velikosti kapacity C2 + C3. Přesnější výpočet zvlnění je dosti komplikovaný, a v tomto případě pro amatérskou potřebu doporučuji použít metodu pokusu a omylu. V každém případě je však lepší, když je tato kapacita o 50% větší, než aby byla o 1% menší. Pro hrubý výpočet můžete použít dále uvedený vzorec, který určí kapacitu s dostatečnou rezervou.

V tomto vzorci U je amplituda zvlnění, kmitočet vložíme jako 50 Hz. Uvedený systém má ještě jednu zajímavou vlastnost – ze strany sítě není vidět jako kapacita.

A na závěr jeden konkrétní příklad použití tohoto jednoduchého zapojení jako napáječ +5V.

Námět: ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/96