Jak funguje usměrňovač napětí?
Typy usměrňovačů a jejich vlastnosti. Usměrňovač je zařízení pro přeměnu střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Hlavním účelem usměrňovače je udržovat směr proudu v zátěži při změně polarity přiváděného napětí. Usměrňovač lze považovat za jeden z typů napěťových střídačů. Usměrňovač může obsahovat: výkonový transformátor ST, ventilový blok VB, filtrační zařízení FU a stabilizátor napětí MV. Transformátor CT plní následující funkce: převádí hodnotu síťového napětí, zajišťuje galvanické oddělení zátěže od elektrické sítě a převádí počet fází elektrické sítě. Ve spínaných zdrojích obvykle není transformátor, protože jeho funkce jsou vykonávány vysokofrekvenčním měničem.
Zobecněné blokové schéma usměrňovače
Ventilový blok VB je hlavním článkem usměrňovače, který zajišťuje jednosměrný tok proudu v zátěži. Jako ventily lze použít vakuová, plynová nebo polovodičová zařízení s jednosměrnou elektrickou vodivostí, např. diody, tyristory, tranzistory atd. Ideální ventilové prvky by měly propouštět proud pouze jedním (dopředným) směrem a nepropouštět jej vše v druhém (zpětném) směru . Skutečné ventilové prvky se od těch ideálních liší především tím, že procházejí určitým proudem ve zpětném směru a mají úbytek napětí, když protéká dopředný proud. To ovlivňuje účinnost ventilového bloku a účinnost usměrňovače jako celku.
Filtrační zařízení FU se používá ke snížení zvlnění výstupního napětí. Nízkopropustné filtry (LPF) vyrobené na pasivu R, L, C prvky nebo někdy pomocí aktivních prvků – tranzistorů, operačních zesilovačů atd. Kvalita FU se posuzuje podle schopnosti zvýšit koeficient filtrace q rovný poměru koeficientů zvlnění na vstupu a výstupu filtru.
Regulátor napětí SV je určen k omezení vlivu vnějších vlivů: změny napájecího napětí, okolní teploty, změny zátěže atd., na výstupní napětí usměrňovače. Pokud nejsou žádné speciální požadavky na stabilitu výstupního napětí, pak lze stabilizátor buď zcela eliminovat, nebo jeho funkce přenést na jiné komponenty. Například u spínaných zdrojů mohou být funkce stabilizátoru vykonávány nastavitelným invertorem (RI) nebo nastavitelným ventilovým blokem.
Kromě hlavních komponent může usměrňovač obsahovat různé pomocné prvky a komponenty určené ke zvýšení jeho spolehlivosti: řídicí a automatizační jednotky, ochranné jednotky atd., například jednotky pro automatické spínání napájecího napětí 110-220 V.
Klasifikace usměrňovačů. Pro klasifikaci usměrňovačů se používají různá kritéria: počet usměrněných půlvln (půlcyklů) napětí, počet fází elektrické sítě, obvod ventilového bloku, typ vyhlazovacího filtru, přítomnost transformátor atd.
Podle počtu usměrněných půlvln se rozlišují půlvlnné a celovlnné usměrňovače. Podle počtu fází napájecího napětí se rozlišují usměrňovače jednofázové, dvoufázové, třífázové a šestifázové. Počet fází napájecího napětí je v tomto případě chápán jako počet napájecích napětí se vzájemně odlišnými počátečními fázemi.
Elektronická zařízení jsou nejčastěji napájena pomocí nízkopříkonových usměrňovačů pracujících z jednofázové sítě střídavého proudu. Takové usměrňovače se nazývají jednofázové. Sdílejí:
a) půlvlna, při které proud prochází ventilem během jednoho půlcyklu střídavého síťového napětí;
b) celovlnný, kdy proud prochází ventilem během obou půlcyklů;
c) obvody s násobením napětí.
Pro napájení výkonných průmyslových instalací se používají středně a vysoce výkonné usměrňovače pracující z třífázové sítě. V moderních usměrňovačích se jako ventily nejčastěji používají polovodičové diody.
Měniče stejnosměrného napětí jsou široce používány v elektronických zařízeních k přeměně stejnosměrného proudu jednoho napětí na stejnosměrný nebo střídavý proud jiného napětí.
Obvody jednofázového usměrňovače jsou znázorněny na obrázku níže.
Jednofázový půlvlnný usměrňovač , jehož schéma je na obrázku – a, je nejjednodušší. Takový usměrňovač předá na výstup pouze jednu půlvlnu napájecího napětí. Takové usměrňovače nacházejí omezené použití v aplikacích s nízkým výkonem, protože trpí špatným využitím transformátoru a vyhlazovacího filtru.
Plnovlnný usměrňovač , na obrázku – b, je paralelní zapojení dvou jednofázových usměrňovačů napájených ze dvou polovin sekundárního vinutí w 2 a w 2 ‚. Pomocí těchto polovičních vinutí jsou vytvořeny dva protifázové usměrňovače napájecího napětí. Tvar výstupního napětí takového usměrňovače je znázorněn na obrázku b. Tento usměrňovač se vyznačuje lepším využitím transformátoru a filtru. Bývá označován jako středový usměrňovač se sekundárním vinutím transformátoru.
Jednofázový můstkový usměrňovač (Obrázek c) je celovlnný usměrňovač napájený z jednofázové sítě. Na rozdíl od předchozího schématu jej lze použít k usměrnění síťového napětí bez transformátoru. Mezi jeho nevýhody patří zdvojnásobený počet usměrňovacích diod, avšak transformátor v takovém usměrňovači je využit maximálně, protože nedochází k magnetizaci magnetického obvodu stejnosměrným proudem a proud v sekundárním vinutí protéká během obou půlcyklů. Kvůli zvýšenému poklesu napětí na usměrňovacích diodách se takové usměrňovače zřídka používají při usměrňování nízkého napětí (méně než 5 V)
Jednofázový zdvojený usměrňovač napětí (Obrázek – d) je sériové zapojení dvou jednofázových půlvlnných usměrňovačů. V první polovině cyklu se při kladném napětí na anodě VDI diody nabije kondenzátor C 1 a ve druhém půlcyklu vede diodu VD2 a kondenzátor C 2 nabité napětím opačné polarity. Protože jsou tyto kondenzátory zapojeny do série, výstupní napětí se téměř zdvojnásobí. Kondenzátory C 1 a C 2 lze použít jako filtrační prvky. Transformátor v tomto obvodu je plně využit jako v můstkovém obvodu. Tento obvod lze získat z můstkového obvodu zobrazeného na obrázku – c, pokud vyměníte diody VD3 a VD4 za kondenzátory C 1 a C 2 . V tomto ohledu se takový usměrňovač často nazývá poloviční můstek. Mezi výhody obvodu patří snížení výstupního napětí transformátoru na polovinu a mezi nevýhody přítomnost dvou kondenzátorů C 1 a C 2 .
Ze schématu usměrňovačů napájených z jednofázové sítě: jednofázový (a), dvoufázový celovlnný (b), jednofázový můstek (c) a jednofázový se sériovým zapojením (dvojitý obvod) (d )
Tvar výstupního napětí takového usměrňovače je znázorněn na obrázku níže pod písmenem „b“. Tento usměrňovač se vyznačuje lepším využitím transformátoru a filtru. Bývá označován jako středový usměrňovač se sekundárním vinutím transformátoru.
Formy napětí na vstupu a výstupu usměrňovačů napájených z jednofázové sítě s odporovou zátěží bez filtru: půlvlnné (a) a celovlnné (b)
Druhy stabilizátorů a jejich hlavní charakteristiky. Stabilizátor napětí je zařízení, které s určitou přesností udržuje konstantní napětí zátěže. Změna napětí zátěže může být způsobena řadou důvodů: kolísáním napětí primárního zdroje energie (AC síť, baterie, galvanický článek), změnami zátěže, změnami okolní teploty atd.
Na základě principu činnosti jsou stabilizátory rozděleny na parametrické и náhradní . Parametrické stabilizátory jsou zase jednostupňové, vícestupňové a můstkové. Kompenzační stabilizátory mohou být s plynulou nebo pulzní regulací; oba mohou být sériového nebo paralelního typu.
Parametrické stabilizátory stabilizují napětí změnou parametrů polovodičových součástek: zenerových diod, stabilizátorů, tranzistorů atd. Proměnným parametrem polovodičových stabilizátorů napětí je jejich odpor nebo vodivost.
Kompenzační stabilizátory jsou systémy s uzavřenou smyčkou pro automatickou regulaci napětí zátěže, vyrobené pomocí polovodičových součástek. Výstupní napětí v těchto regulátorech je udržováno rovné nebo úměrné stabilnímu referenčnímu napětí, které obvykle produkuje některý z typů parametrických regulátorů. Kompenzační stabilizátory obsahují regulační prvek (nejčastěji tranzistor), který lze zapojit do série nebo paralelně se zátěží. Ovládací prvek může pracovat v nepřetržitém nebo klíčovém režimu. Pulzní stabilizátory využívají klíčový režim činnosti regulačního prvku. U stabilizátorů s plynulou regulací pracuje regulační prvek v plynulém režimu.
Podle výstupního výkonu lze stabilizátory rozdělit na nízkopříkonové (do 1W), středně výkonné (do 250 W) a vysoce výkonné (nad 250 W). Stabilizátory s nízkým výkonem se používají v měřicí technice, analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky. Stabilizátory středního výkonu se používají k napájení elektronických zařízení s nízkou spotřebou. Výkonné stabilizátory se používají k napájení laserových systémů, elektronových mikroskopů atd.
Na základě přesnosti udržení výstupního napětí na zátěži se stabilizátory dělí na přesné (změna napětí ne více než 0,005 %), přesné (změna napětí z 0,01 na 0,005 %), střední přesnost (změna napětí od 0,1 do 0,01 %) a nízkou přesností (změna napětí od 1 do 0,1 %). Pro dosažení nejvyšší přesnosti při udržování výstupního napětí používají přesné stabilizátory speciální zařízení, která vylučují vliv změn okolní teploty (termostaty nebo kryostaty).
Základní parametry stabilizátorů napětí. Parametry stabilizátorů napětí umožňují porovnat je na základě kvality jejich práce a vybrat ty, které splňují provozní požadavky elektronických zařízení. Mezi tyto parametry patří: jmenovité výstupní napětí U out , rozsah vstupního napětí U vstup.min a U vstup.max , rozsah zátěžového proudu I n.min a já n.max , účinnost η, koeficient nestability napětí K nU a koeficientem nestability proudu K nI , koeficient vyhlazení pulzace K SG a výkon.
Jmenovité stabilizační napětí U out – jedná se o výstupní napětí stabilizátoru za normálních provozních podmínek (určité vstupní napětí, stanovený zatěžovací proud, nastavená okolní teplota). Pokud stabilizátor umožňuje regulovat výstupní napětí, pak se nastavuje rozsah změny výstupního napětí U výstup.min a U výstup max . Rozsah vstupního napětí U in umožňuje nastavit limity pro změnu napětí na vstupu stabilizátoru, při kterých jsou zachovány vlastnosti přesnosti stabilizátoru.
Rozsah zátěžového proudu I н umožňuje nastavit limity pro změnu zatěžovacího proudu, při kterých jsou zachovány vlastnosti přesnosti stabilizátoru.
Účinnost stabilizátoru η umění. je poměr dodávaného výkonu k zátěži P н , k napájení P pot , spotřebované z primárního zdroje energie: