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 snižovat i 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

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

Stabilizace napětí se Zenerovou diodou

O stabilizátorech jsme mluvili již v kapitole o zdrojích, jak takový stabilizátor ale zkonstruovat? Nejjednodušší je tzv. sériový parametrický stabilizátor, který tvoří jen dvě součástky- Zenerova dioda a rezistor. Zenerova dioda ve stavu nedestruktivního průrazu stabilizuje napětí a také odebíraný proud ( $I_{IN}\approx {\frac {P_{ZDMAX}}{U_{ZD}}}=I_{ZDMAX}$ ). Kromě výstupního (Zenerova) napětí je tedy jejím omezujícím parametrem výkon ( $P_{ZDMAX}$ ), případně proud ( $I_{ZDMAX}$ ). Proud Zenerovou diodou se v závislosti na zatížení mění, pohybuje se mezi dvěma extrémy:

Naprázdno - nezatížený stabilizátor: $I_{ZD}$ největší, protože žádný proud neteče do zátěže. Podle tohoto stavu dimenzujeme velikost předřadného odporu, který nesmí ani při maximálním napětí propustit více než je maximální proud $\rightarrow R>{\frac {U_{INMAX}-U_{ZD}}{I_{ZDMAX}}}$ .
Nakrátko - přetížený stabilizátor: $I_{ZD}$ nejmenší protože dioda je přemostěna. Podle tohoto stavu dimenzujeme ztrátový výkon předřadného odporu, na kterém je nyní plné napětí zdroje $\rightarrow \Delta P>{\frac {U_{INMAX}^{2}}{R}}$ .

Pro správnou funkci ZD dále nesmí proud klesnout pod $I_{ZDMIN}$ . Tato situace může nastat ve dvou případech:

Ve stavu naprázdno, pokud zvolíme moc velký odpor. Musíme tedy dodržet: $R<{\frac {U_{INMAX}-U_{ZD}}{I_{ZDMIN}}}$
Ve stavu nakrátko, kdy v podstatě veškerý proud ZD obtéká.

Příklad: Napájecí napětí kolísá mezi 10 a 15 volty a chceme s ním napájet žárovku 5V/1W. Jak nadimenzujeme stabilizátor?

Zatížený stabilizátor: $I_{IN}\approx {\frac {P_{ZDMAX}}{U_{ZD}}}=I_{ZDMAX}=225mA$
$i_{Z}={\frac {P_{Z}}{U_{ZD}}}=196mA$
$i_{ZD}=I_{IN}-i_{Z}=29mA$
(pro správnou funkci musí být $i_{ZD}>I_{ZDMIN}\approx 1mA$ )

$u_{IN}\in (10;15)V$
$U_{Z}=5V;P_{Z}=1W$
$ZD;R=?$

1) Zenerova dioda
Musíme dodržet: $U_{ZD}=5V;P_{ZDMAX}>1W$
Volíme: BZX85C5V1 ( $U_{ZD}=5,1V;P_{ZDMAX}=1,3W$ )

2) Rezistor
odpor: $R>{\frac {U_{INMAX}-U_{ZD}}{I_{ZDMAX}}}={\frac {15-5,1}{0,255}}=38,8\Omega \rightarrow$ volíme $R=47\Omega$
ztrátový výkon: $\Delta P>=RI_{ZDMAX}^{2}=47\cdot {0,255}^{2}=3,05W\rightarrow$ volíme $\Delta P=5W$

Výsledek:

ZD - BZX85C5V1
R = 47Ω/5W

Napájecí zdroj

Funkce

T = transformátor - snížení napětí
- viz předchozí kapitola
U = usměrňovač - změna AC/DC
F = filtr - vyhlazení
S = stabilizátor - na pevnou hodnotu

Konstrukce

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

Součástky:

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