Praktická elektronika/Usměrnění střídavého proudu

Ke přeměně střídavého proudu (napětí) na stejnosměrný proud (napětí) se používají měniče zvané usměrňovače, sestavené z polovodičových součástek.

Rozdělení:

• neřízené (diodové) - výstupní napětí nelze měnit, tok výkonu pouze jedním směrem (není střídačový chod)
• řízené (tyristorové) - výstupní napětí lze snižovat, tok výkonu oběma směry (proudový střídač)
• pulzní (tranzistorové) - výstupní napětí lze zvyšovat (až na dvojnásobek), tok výkonu oběma směry (napěťový střídač)

Neřízené usměrňovače

Jednocestný

Výhodou tohoto zapojení je jeho jednoduchost, nevýhodou je, že vzniká "hluché místo", tedy půlperioda, kdy na výstupu není žádné napětí. Velikost usměrněného napětí (zanedbáme-li úbytek napětí na diodě) je dána vzorcem:

$U_{OUT}={\frac {\sqrt {2}}{\pi }}\cdot U_{IN}\approx 0,45\cdot U_{IN}$

kde:

• U_OUT - střední hodnota výstupního napětí
• U_IN - efektivní hodnota vstupního napětí

Dvoucestný uzlový

Výhodou tohoto zapojení je, že usměrňuje obě půlvlny a postačují k tomu dvě diody (oproti čtyřem u můstkového zapojení), nevýhodou je nutnost dvou napájecích zdrojů (typicky transformátor s vyvedeným středem sekundáru). Velikost usměrněného napětí (zanedbáme-li úbytek napětí na diodách) je dána vzorcem:

$U_{OUT}={\frac {2{\sqrt {2}}}{\pi }}\cdot U_{IN}\approx 0,9\cdot U_{IN}$

kde:

• U_OUT - střední hodnota výstupního napětí
• U_IN - efektivní hodnota vstupního napětí (napětí jednoho zdroje; oba musejí být stejné)

Dvoucestný můstkový

Výhodou tohoto zapojení je, že usměrňuje obě půlvlny a postačuje k tomu jeden napájecí zdroj, nevýhodou je nutnost použití čtyř diod a vyšší úbytek napětí (vždy jsou v chodu dvě diody). Velikost usměrněného napětí (zanedbáme-li úbytek napětí na diodách) je dána vzorcem:

$U_{OUT}={\frac {2{\sqrt {2}}}{\pi }}\cdot U_{IN}\approx 0,9\cdot U_{IN}$

kde:

• U_OUT - střední hodnota výstupního napětí
• U_IN - efektivní hodnota vstupního napětí

Při dimenzování usměrňovače vycházíme z toho, že dioda má dva základní parametry, a to maximální proud v propustném směru a maximální napětí v závěrném směru.

• 
  Běžné usměrňovací diody 1NN 4007 ($U_{MAX}=1kV;I_{MAX}=1A$)
• 
  Rychlá usměrňovací dioda 1N4151 ($U_{MAX}=75V;I_{MAX}=0,3A$)
• 
  Můstkový usměrňovač spojený tzv. ve vzduchu
• 
  Můstkový usměrňovač spojený na plošném spoji
• 
  Integrovaný můstkový usměrňovač D25XB60 ($U_{MAX}=600V;I_{MAX}=25A$)

Filtrační kondenzátor

Pro vyhlazení usměrněného tepavého napětí se na výstup připojuje tzv. filtrační kondenzátor. Pokud by byl připojen naprázdno (bez zátěže), došlo by k jeho nabití na maximální hodnotu a ta by zůstala konstantní. Je-li připojena zátěž, dochází k vybíjení kondenzátoru a poklesu napětí. Vhodnou volbou kapacity je dosaženo toho, že pro daný zátěžný proud napětí nepoklesne pod stanovenou mez.

$C\geq {\frac {I_{MAX}}{f\cdot (U_{MAX}-U_{MIN})}}={\frac {I_{MAX}}{f\cdot \Delta U}}$

kde:

• I_MAX - maximální proud odebíraný zátěží
• f - frekvence výstupního napětí (pro jednocestné usměrnění stejná jako vstupního napětí, pro dvoucestné zapojení dvojnásobná)
• U_MAX - maximální hodnota výstupního napětí (maximální hodnota vstupního napětí snížená o úbytek na diodě/diodách)
• U_MIN - minimální hodnota výstupního napětí, pod kterou nemá poklesnout

Příklad: Chceme napětí ze zdroje 12V AC o síťovém kmitočtu usměrnit a vyfiltrovat tak, aby mohlo napájet stabilizátor '''LM7805''', který odebírá 0,6A.

Jednocestný usměrňovač s filtrem na vstupu stabilizátoru.

$U_{INEF}=12V;U_{INMAX}={\sqrt {2}}\cdot 12\approx 17V$
LM7805 $\rightarrow u_{MIN}=7V;u_{MAX}=35V$
$D,C=?$

1) Dioda
závěrný směr: $U_{DMAX}>U_{INMAX}=17V$
propustný směr: $I_{DMAX}>I_{OUT}=0,6A$
Volíme: 1NN4007 ($U_{DMAX}=1000V;I_{DMAX}=1A$)

2) Kondenzátor
kapacita: $C>{\frac {I_{MAX}}{f\cdot \Delta U}}={\frac {0,6}{50\cdot (17-7)}}=1,2\cdot 10^{-3}F\rightarrow$ volíme: $1,5mF=1500\mu F$
napětí: $U_{CMAX}>U_{INMAX}=17V\rightarrow$ volíme $U_{CMAX}=25V$

Výsledek:

• D - 1NN 4007
• C = 1500μF / 25V

Napájecí zdroj

Funkce

T - transformátor; U - usměrňovač; F - filtr; S - stabilizátor

Síťový napájecí zdroj je zařízení, které umožňuje ze střídavé energetické sítě (v ČR 230 VAC 50Hz) napájet zařízení určené pro stejnosměrné malé a nízké napětí (typicky 12/24 VDC). Napětí je tedy nutné snížit transformátorem; usměrnit, tedy změnit střídavé na stejnosměrné; a to pak po vyhlazení kondenzátorem stabilizovat na požadované hodnotě (pevné nebo nastavitelné). Zdroj je tak tvořen kaskádní kombinací těchto

• T = transformátor - snížení napětí
  • viz předchozí kapitola
  • síťový $\rightarrow f_{N}=50Hz$
• U = usměrňovač - změna AC/DC
  • viz výše
• F kapacitní filtr - vyhlazení
  • viz výše
• S = stabilizátor - na pevnou hodnotu
  • více zde a zde

Konstrukce

Schéma zapojení regulovaného napájecího zdroje 0-15V; 1,2A

Umístění prvků uvnitř zdroje

Tento zdroj využívá obyčejný síťový transformátor T, integrovaný můstkový usměrňovač Q₁ (4 diody v jednom pouzdře), a integrovaný zpětnovazební stabilizátor/regulátor napětí Q₂. Ten je doplněn o další součástky a umožňuje nastavení výstupního napětí.

Zdroj je napájen ze sítě a na jeho vstupních částech (přívodní kabel, vypínač, primární vinutí transformátoru) je síťové napětí 230 V, které může způsobit vážný úraz nebo i smrt! Je nutné dodržovat zásady bezpečnosti práce a nedotýkat se součástí obvodu pokud je připojen do sítě!

Seznam součástek:

Hotový zdroj - na předním panelu jsou výstupní svorky, ciferník voltmetru a páčka potenciometru (viz obrázek) ; na zadním panelu je pojistka, vypínač a vstup přívodního kabelu

• X₁ - vidlice síťová
  • U_N = 230V
  • I_N = 16A
• F - pojistka trubičková 5x20 mm;
  • I_N = 200mA
  • + pouzdro
• K - vypínač páčkový
  • U_N = 250V
  • I_N = 3A
• T - transformátor síťový (f_N = 50Hz)
  • S_N = 25 VA
  • U₁/U₂ = 230/12 V (ef)
• Q₁ - můstek usměrňovací 2W10
  • U_MAX = 1kV
  • I_MAX = 2A
• Q₂ - regulátor napěťový LM317
  • I_MAX = 1,5A
  • + chladič
• D_1,2 - diody usměrňovací 1NN4007
  • U_MAX = 1kV
  • I_MAX = 1A
• C₁ - kondenzátor elektrolytický
  • C_N = 2200μF
  • U_MAX = 25V
• C₂ - kondenzátor elektrolytický
  • C_N = 10μF
  • U_MAX = 25V
• C₃ - kondenzátor elektrolytický
  • C_N = 1μF
  • U_MAX = 25V
• R₁ – potenciometr
  • R_MAX = 4,7kΩ
  • průběh - lineární (N)
  • P_MAX = 0,125W
  • + páčka
• R₂ - rezistor
  • R_N = 270Ω
  • P_MAX = 0,25W
• R₃ - rezistor
  • R_N = 2,7kΩ
  • P_MAX = 0,25W
• V - voltmetr panelový analogový HD-060
  • M = U_MAX = 15V
  • tolerance = 5%
• X₂ - zdířky
  • U_MAX = 60 V
  • I_MAX = 10 A
  • Ø 4 mm