Usmerňovače a násobiče napätia

Usmerňovače a násobiče napätia
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  6204 zobrazení
8
 0
Rádioamatérov almanach

Usmerňovač je zariadenie, ktorým sa mení striedavý elektrický prúd na jednosmerný. V minulosti sa na usmerňovanie používali vákuové diódy a selénové usmerňovače, v súčasnosti už len polovodičové diódy vyrobené väčšinou na báze kremíka. V súčasnej technickej praxi využívame tri druhy usmerňovačov: jednocestný usmerňovač, dvojcestný usmerňovač a mostíkový (Graetzov) usmerňovač.

Jednocestný usmerňovač

Jedná sa o najjednoduchší a najlacnejší usmerňovač. Obsahuje iba jednu usmerňovaciu diódu (popr. filtračný kondenzátor).

Pre usmernenie sa využije len jedna polvna sínusovky (inak sa to ani s jednou diódou nedá), čo má tú nevýhodu, že je na výstupe takého usmerňovača rovnaká frekvencia ako na vstupe. Čo znamená, že po prechode napätia filtračným kondenzátorom a zaťažení výstupu má taký zdroj veľké zvlnenie. To niekedy ale vôbec nemusí vadiť, ak nemáme vysoké nároky na nízke zvlnenie. Napríklad vysoké napätie v CRT televízoroch a monitoroch je jednocestne usmernené, ale v HiFi zosilňovači by tento usmerňovač neuspel.

Na nasledujúcom grafe je vidieť štyri priebehy na rozdielnych miestach usmerňovača a priebehy pri rôznom zaťažení.

Modrá - pred usmerňovačom == 10Vac 50Hz
Zelená - za usmerňovačom (nezapojený filtračný kondenzátor) [horšie viditeľný priebeh]
Žltá - filtrácia 100uF kondenzátorom a zaťaženie 1kOhm odporom
Červená - filtrácia 100uF kondenzátorom a zaťaženie 100Ohm odporom

Dvojcestný usmerňovač

Dvojcestný usmerňovač už obsahuje o jednu diódu viac ako jednocestný, teda dve diódy a využívajú sa obe polvlny sínusového signálu, na výstupe usmerňovača je teda dvakrát vyššia frekvencia než na jeho vstupe. Vďaka vyššej frekvencii je po odfiltrovaní kondenzátorom pri zaťažení výstupu, zvlnenie výstupného napätia menšie ako u jednocestného. Nevýhodou môže byť transformátor s vyvedeným stredom a výhodou, že má len dve diódy → je na nich menší úbytok napätia ako na štyroch v mostíku a teda aj celkovo menšia výkonová strata na usmerňovači.

Rovnako ako u predchádzajúceho usmerňovača nasleduje graf so štyrmi priebehmi na rôznych miestach a tiež aj pri zaťažení.

Modrá - pred usmerňovačom == 10Vac 50Hz
Zelená - za usmerňovačom (nezapojený filtračný kondenzátor)
Žltá - filtrácia 100uF kondenzátorom a zaťaženie 1kOhm odporom
Červená - filtrácia 100uF kondenzátorom a zaťaženie 100Ohm odporom

Gretzov mostík

Tento usmerňovač vymyslel asi niekto s menom Graetz a vymyslel ho tak, že sú použité obe polvlny sínusovky, je to teda dvojcestný usmerňovač, a vystačí si s jednoduchým vinutí na transformátore. Čo je síce pekné, že nie je potreba drahšieho trafa s vyvedeným stredom, ale má to aj svoje nevýhody: je tvorený štyrmi diódami, na ktorých je oveľa väčší úbytok napätia, než na predchádzajúcom, dvojcestnom, čo môže byť problém pri usmerňovaní malého napätia (aj keď to sa dá riešiť nizko úbytkovými Schottkyho diódami) a vďaka väčšiemu úbytku je na ňom aj väčšia výkonová strata.

Graf je takmer rovnaký ako u predchádzajúceho dvojcestného usmerňovača (len v napätí je rozdiel 0,7V).

Filtrácia usmerneného napätia

Vyššie už bolo spomenutú zvlnenie napätia na výstupe a to, ako na jeho veľkosť vplýva typ usmerňovač, presnejšie frekvencia (pre 50Hz zdroja VAC: 50Hz jednocestný, 100Hz dvojcestný a Graetzov mostík). Ako je vidieť na niektorom z grafov vyššie je zaťažové výstupné napätie (žltá a červená krivka) zvlnené a to je ono! Nás väčšinou zaujíma rozdiel maximálneho a minimálneho napätia zdroja == napätia zvlnenia. Toto zvlnenie ovplyvňuje hlavne odoberaný prúd, ale aj frekvencia usmerňovaného napätie, typ použitého usmerňovača a aký je použitý spôsob filtrácie výstupného napätia.

Zberný kondenzátor

Jeden z typov filtrácie usmerneného napätia je "proste tam napchám čo najviac kondíkov a je to". Jeho kapacitu mnoho amatérov  nerieši a dajú tam nejaký ten "kýbel" (myslené: veľký filtračné konenzátor), ale je zbytočné použiť príliš veľký a drahý kondenzátor, alebo vybrať moc malý a potom mať horšie vlastnosti.

Nasledujúcim vzorcom je možné spočítať kapacitu takéhoto kondenzátora.

C = I * T / Uzvl [F; A, s, V]

Všetko je v základných jednotkách, Uzvl je zvlnenie vo voltoch, I je maximálny odoberaný prúd, T je perióda a C kapacita filtračného kondenzátora.

RC filter

Tento filter poskytuje lepšiu filtráciu, teda aj menšie zvlnenie napätia na výstupe, než keby bola použitá iba zberná kapacita. Ako už z názvu vyplýva, je tvorený odporom (R) a kapacitou (C) a v podstate tvoria integračnej článok.

Je pomerne lacný a malý a hodí sa pre menšie zaťažovacie prúdy. Činiteľ vyhladenia je pri tomto zapojení okolo 10.

Tieto filtre je možné radiť za seba a vytvoriť tak viacstupňový RC filter, ktorý bude mať logicky lepšie vlastnosti. Činilitel vyhladenia takéhoto viacstupňového filtra sa rovná súčinu činiteľa vyhladenia jednotlivých stupňov. Činiteľ vyhladenia je údaj, ktorý určuje koľkokrát daný filter zníži (zlepší) zvlnenie usmerneného napätia a udáva sa v bezrozmerných jednotkách.

Pre tento filter sa v praxi počíta nasledujúcom vzťahom.

φv = mωCR
kde ‚m‘ je počet usmerňovacích ciest

LC filter

LC filter je podobný ako RC, len je miesto rezistora použitá tlmivka, je teda tvorený kapacitou a indukčnosťou. Má väčšiu účinnosť ako RC filter a činiteľ vyhladenie sa pohybuje v rádoch niekoľkých desiatok.

Pri konštrukcii tohto filtra je potrebné dbať na to aby tlmivka nebola ovplyvňovaná magnetickým tokom z transformátora, pretože by sa v tlmivke indukovalo napätie o frekvencii siete, čo by takýto filter znehodnotilo. Ďalej je potrebné pri tlmivke použiť jadro so vzduchovou medzerou, pretože inak by dochádzalo k presýteniu tlmivky. Samozrejme je potrebné aj prispôsobiť drôt vinutia vzhľadom k odoberanému prúdu.

LC filter

Na ľavej strane je priebeh bez použitia LC filtra, na pravej strane s použitím LC filtra.

Násobiče

Používajú sa k násobenie napätia, na úkor výstupného prúdu, ktorý sa logicky zmenší.

Zdvojovač napätia

Dva jednocestné usmerňovače a každý nabíja kondenzátor na 1 * U, takže na oboch kondenzátoroch v sérii je 2 * U.

Trojitý násobič "ztrojovač"

V jednej polvně striedavého napätia sa nabije cez D1 kondenzátor C1 na 1 * U. V druhej polvne je C1 (nabitý na 1 * U) v sérii s trafom takže napätie, ktoré sa nabíja cez didodu D2 kondenzátor C2, je dvojnásobné. V ďalšej polvne je v sérii s trafom kondenzátor C2 (nabitý na 2 * U) takže C3 sa cez D3 nabije na 3 * U.

Kaskádový násobič

Keď už nestačí len zdvojené alebo ztrojené napätie, je možné poskladať kaskádu.

Cez D1 sa v jednej polvne nabije C1 na 1 * U. V ďalšej polvne bude C1 v sérii s trafom → C2 sa nabije na 2 * U. A tak to ide ďalej a ďalej a ďalej. C1 sa nabíja na 1 * U a zvyšné kondenzátory na 2 * U! Na výstupe OUT1 je teda nepárne násobenie (v schéme vyššie je to 3 ×) a na výstupe OUT2 je to párne násobenie (tu 4 ×). Takto možno poskladať teroreticky nekonečne dlhý násobič ...

Násobič kapacity

Celkom nedocenené zapojenie…

V postate sa filtruje len bázový prúd ktorý je β krát menší ako koletorový, k filtrácii teda stačí menší kondenzátor. Rovnako je ale potrebné použiť zbernú kapacitu, aj keď o niečo menšiu. Zapojenie vľavo sa v praxi nepoužíva. Zapojenie vpravo je doplnené aj o stabilizátor, odpory je nutné voliť tak, aby mala dosť prúdu zenerová dióda a aj báza tranzistora.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 360.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button