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

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.

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

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.

Výsledek:

• D - 1NN 4007
• C = 1500μF / 25V

Napájecí zdroj

Funkce

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

• T = transformátor - snížení napětí
  • viz [[../Transformátor|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

Umístění prvků uvnitř zdroje

Součástky:

Hotový zdroj - na předním panelu jsou výstupní svorky, ciferník voltmetru a páčka potenciometru (viz obrázek) ; na zdaním panelu je pojitska, 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