USMĚRŇOVAČE

Základní zapojení

Jak je vám všem jistě dobře známo, elektronické obvody potřebují ke své činnosti stejnosměrný proud, a z elektrárny nám do zásuvky přichází proud střídavý. Takže nám nezbývá, než pro napájení svých přístrojů použít buď baterie (včetně slunečních), nebo si ten střídavý proud předělat na stejnosměrný. K tomu nám slouží zapojení, kterému se všeobecně říká usměrňovač. Usměrňovačů je několik různých druhů, liší se od sebe zapojením i vlastnostmi a zde si jich několik ukážeme, a něco si o nich povíme.

Obrázek 1 – jednocestný usměrňovač (půlvlnný). Tento nejjednodušší usměrňovací obvod by se měl používat pouze pro malé proudy, protože využívá jen jednu půlvlnu střídavého napětí a zvlnění výstupního stejnosměrného napětí je dosti značné, zvláště při vyšším odběru proudu.

Výstupní napětí…Ud = 0,45Us

Vstupní napětí efektivní…..Us = U1max/1,414

Maximální, špičkové napětí zdroje U1m = 1,414Uef

Výstupní proud …Id = 0,64Is

Střední proud diodou …IFs =Id

Efektivní proud diodou..IF =1,57Id

Špičkový proud diodou..IFM =3,14Id

Závěrné napětí…URM =3,14Ud

Špičkové výstupní napětí..Udm = 3,14Ud

Zvlnění …121%

Kmitočet základní harmonické..50Hz

Obrázek 2 – dvoucestný usměrňovač (celovlnný). V tomto obvodu dochází k usměrnění obou půlvln střídavého napětí, je docíleno stejnosměrného napětí +U stejné velikosti, jako u zapojení na obrázku 1. Vyžaduje dvě sekundární vinutí transformátoru, ale zato je filtrace výstupního napětí jednodušší.

Výstupní napětí…Ud = 0,9Us

Vstupní napětí efektivní…..Us = U1max/1,414

Maximální, špičkové napětí zdroje U1m = 1,414Uef

Výstupní proud …Id = 1,41Is

Střední proud diodou …IFs =0,5Id

Efektivní proud diodou..IF =0,707Id

Špičkový proud diodou..IFM =1,57Id

Závěrné napětí…URM =3,14Ud

Špičkové výstupní napětí..Udm = 1,57Ud

Zvlnění …48,5%

Kmitočet základní harmonické..100Hz

Obrázek 3 – dvoucestný usměrňovač (celovlnný), toto zapojení se také nazývá Graetzovo, nebo můstkové. Také toto zapojení využívá k usměrnění obě půlvlny napájecího napětí z transformátoru, a při tom mu stačí pouze jedno sekundární vinutí. Jeho nevýhodou oproti minulému zapojení (na obrázku 2) je někdy skutečnost, že zde není sekundární vinutí spojené s referenčním potenciálem (zem). Stejné sekundární vinutí zde tedy nemůže být použito i k dalším účelům, v těchto případech musí být použito ještě jedno další vinutí. Je zde pouze možnost původní vinutí použít tam, kde není vyžadováno propojení se zemí, například pro žárovičky a podobně.

Výstupní napětí…Ud = 0,9Us

Vstupní napětí efektivní…..Us = U1max/1,414

Maximální, špičkové napětí zdroje U1m = 1,414Uef

Výstupní proud …Id = 1,41Is

Střední proud diodou …IFs =0,5Id

Efektivní proud diodou..IF =0,707Id

Špičkový proud diodou..IFM =1,57Id

Závěrné napětí…URM =1,57Ud

Špičkové výstupní napětí..Udm = 1,57Ud

Zvlnění …48,5%

Kmitočet základní harmonické..100Hz

Diody musí být vybírány pro proud vyšší, než Id a napětí vyšší než napětí špičkové a napětí závěrné. Platí pro všechny usměrňovače.

Obrázek 4 – zdroj napětí dvojí polarity.

V případě, že je požadováno kladné a zároveň i záporné napětí proti společnému vodiči (zemi), například pro napájení operačních zesilovačů, použijeme zapojení na obrázku 4 a 5. Obvod na obrázku 4 je opět pro menší proudy.

Obrázek 5 – souměrný zdroj napětí dvojí polarity

Násobiče napětí.

Obrázek 6 – Delonův zdvojovač napětí

Obrázek 7 – Villardův zdvojovač napětí

Na obrázcích 6 a 7 jsou nakresleny dva obvody usměrňovačů, které současně napětí zdvojnásobí, tedy dávají na výstupu +U dvojnásobně větší napětí, než obvody z obrázků 1 až 3. Také tyto obvody jsou vhodné pouze pro malé proudy. Co se týče kondenzátorů C1 a C2, velikost jejich kapacity se volí stejně jako u předešlých zapojení.

Obrázek 8 – usměrňovač pro dvojí napětí ze zvonkového trafa.

Na obrázku 8 je uvedeno dvojité Villardovo zapojení, z obrázku 7, jako praktické použití zdvojovače pro dvojí napětí cca 18V kladné i záporné při použití běžného zvonkového transformátoru se sekundárním napětím 8V. V tomto zapojení je možno odebírat proud až 100 mA.

Uvedené zapojení (dvojité Villardovo) je možno případně doplnit vypínačem podle obrázku 9 a tak získat možnost volby napětí jedno nebo dvojnásobného přímo ze sítě. Tato možnost se používala například ve spínaných zdrojích počítačů.

Obrázek 9 – přepínatelný usměrňovač verze 1

U nás a v ostatních evropských zemích se používá síťové napětí 230V, pak toto zapojení s rozepnutým spínačem Vyp pracuje jako můstkové zapojení z obrázku 3, a výstupní usměrněné napětí pro napájení dalších obvodů spínaného zdroje se tedy pohybuje okolo 325V

Jenže - v některých zemích se dodnes používá síťové napětí 115V, pak jednoduše spínač Vyp sepneme a tím pádem získáme zapojení stejné, jako na obrázku 8 – tedy dvojité Villardovo zapojení a výstupní napětí bude opět okolo oněch požadovaných 325V. Oproti minulému zapojení jsou zde ještě dva odpory R1 a R2, které slouží pro rovnoměrnější rozložení napětí na kapacitách a volí se v řádech stovek kiloohmů.

Obrázek 10 – přepínatelný usměrňovač verze 2

Zapojení podle obrázku 10 je výhodné použít například v regulovaném laboratorním zdroji, pak při nastavení na nižší napětí nebudou tranzistory regulátoru zbytečně přetěžovány a nebudou tolik hřát, jelikož nebudou muset „sežrat“ zbytečně velké napětí, ale pouze jeho polovinu. Částečnou nevýhodou tohoto zapojení je nutnost použít síťový transformátor se dvěma sekundárními vinutími, na příklad 2 x 20V. Při poloze přepínače 1 vznikne v podstatě dvoucestný (celovlnný) usměrňovač a na výstupu tedy bude napětí kolem 20V. Po přepnutí přepínače do polohy 2 se změní na můstkový napájený oběma vinutími v sérii, čili na výstupu se objeví součet obou napětí, tedy kolem 40V.

Filtrační kondenzátor.

Usměrněné napětí za diodou (diodami) je pulsující, jsou to vlastně půlvlny vstupního střídavého napětí. Aby napětí za usměrňovačem bylo hladké, s co nejmenším zvlněním (brumovým napětím), je potřeba jej dobře vyfiltrovat - vyhladit. Proto na výstupu usměrňovače použijeme tzv. filtrační kondenzátor. Poněkud nesprávně se jeho kapacita odhaduje jen tak „podle oka“, nebo podle poučky že na každý 1A odebíraného proudu zvolíme kapacitu 1G (1 000 uF). Vřele ale doporučuji si jeho hodnotu vypočítat podle jednoduchého v literatuře všeobecně doporučovaného vzorce

C = k . I / Ubr

Kde C je kapacita kondenzátoru v uF (mikrofarádech)

k je koeficient zvlnění

Ubr je brumové napětí ve voltech (zvlnění)

I je odebíraný proud (maximální) v mA

Takže na příklad při stavbě usměrňovače v dvoucestném zapojení podle obrázku 2 nebo 3, kde je požadováno výstupní napětím 20V pro odběr 1A s dovoleným zvlněním výstupního napětí o 1V, určíme hodnotu kapacity kondenzátoru takto:

C = k. I / Ubr

Zvlnění 1V odpovídá 5% z napětí 20V, tedy k = 9

Z čehož vychází

C = 9.1000 /1 = 9000uF

Zvolíme nejblíže vyšší hodnotu, tedy 10 000 uF (10G) na napětí nejméně 25V.

V příštím díle – Stabilizace napětí.