SKO z IO - Rutar

UsměrňovačeRutar Jaromír, Síťový zdroj 1Rozdělení:Jednofázové (jednocestné, dvoucestné s vyvedeným středem transformátoru nebo můstkové)Třífázové (jednocestné, můstkové)Řízené usměrňovače – k usměrnění se používají tyristory, které umožňují řídit výstupní napětí usměrňovačeJednofázové usměrňovačeJednocestný (jednopulzní) usměrňovač-zpracovává pouze jednu půlvlnu střídavého proudu-do cesty střídavého proudu se zařadí samotná dioda-podle toho, jak je dioda v obvodu polována, propustí kladnou nebo zápornou půlvlnu-směřuje-li dioda ke zdroji anodou, propustí kladnou půlvlnu a na katodě je plus-(je polována v propustném směru pro kladnou půlvlnu)-směřuje-li dioda ke zdroji katodou, propustí zápornou půlvlnu a na anodě je mínus-(je polována v propustném směru pro zápornou půlvlnu)-usměrněný (pulzující) proud se skládá z řady proudových pulsů-jednotlivé pulsy jsou od sebe odděleny časovými úseky-proud v tomto čase neprochází (viz obrázek)-v té době totiž probíhá druhá půlperioda střídavého proudu-ta má opačný směr, dioda pro něj vykazuje závěrný stav-pulzující proud nelze bez vyhlazení použít-k vyhlazení proto za diodou následuje kondenzátor s velkou kapacitou (elektrolyt)-připojená zátěž pak odebírá proud, který je více nebo méně zvlněnýV následném zapojení proud prochází do zátěže jen, když na anodě diody A je větší napětí než na katodě K-zátěží prochází sice usměrněný, ale pulzující proud I Z-U 2 je střídavé napětí na sekundáru transformátoru, před diodou-U d je usměrněné pulzující napětí za diodou-dioda propouští jen kladné části střídavého sinusového napětí-do zátěže může procházet proud pouze jednou cestou-(proto také se usměrňovač nazývá jednocestný)→ U 2 = průběh napětí před diodou→ U d = průběh napětí za diodou→ I Z = průběh proudu do zátěžeRutar Jaromír, Síťový zdroj 1

2 Rutar Jaromír, Síťový zdrojJednocestný usměrňovač s kondenzátoremPředchozí zapojení upravíme vložením kondenzátoru C za diodu,paralelně k zátěži-připojením C se výrazně změní průběh pulzujícího napětí-čím bude C větší, tím bude zvlnění stejnosměrného napětí menší-bude se ale zvětšovat proudový náraz diodou při zapnutí-max. hodnota C je proto předepisována výrobcem diody-průchodem proudu diodou se nabíjí kondenzátor C-nabíjí se v úseku periody, když napětí na anodě diody (na trafu) je větší než napětí na katodě diody (nakondenzátoru)-tento časový úsek se nazývá úhel vedení (otevření) Ψ (psí)-v době, kdy dioda nevede, vybíjí se kondenzátor přes zátěž R Z-napětí na R Z kolísá při nabíjení/vybíjení C kol střední hodnoty U d-toto tzv. zvlnění má amplitudu U ZV a frekvenci sítě-zvlnění je tím menší, čím menší je zatěžovací proud I ZPracuje-li usměrňovač naprázdno, bez zátěže (R Z =∞), výstupní napětíU d dosáhne U max sinusového průběhu. Kapacita C se nabije naU d =U ef . 2 =U max protože se nemůže přes zátěž vybíjet.Dvojcestný (dvojpulsní) usměrňovač-usměrňovač nachází uplatnění v nf i ve vf obvodech-neliší se přitom principem činnosti, nýbrž zaměřením a součástkami-nejběžnější je zapojení usměrňovače ve zdroji stejnosměrného napětíRozlišujeme dvě zapojení:-s vyvedeným středem sekundárního vinutí transformátoru a usměrňovačemse dvěma diodami-s běžným transformátorem s jednoduchým vinutím sekundáru a můstkovým zapojením usměrňovače sečtyřmi diodami-diody propouští proud pouze jedním směrem-(podle polarity polovodičového přechodu PN)-záleží na tom, která strana diody směřuje ke střídavému proudu-směřuje-li dioda katodou, vede při záporné půlvlně-směřuje-li dioda anodou, vede při kladné půlvlněU každé diody pólované v propustném směru vzniká úbytek napětí na polovodičovém přechodu (cca 0,7V)-v můstkovém zapojení pracují vždy dvě diody v sérii, takže úbytek napětí je dvojnásobný-s velkým usměrňovaným proudem dochází k velkým ztrátám-diody se silně zahřívají a vyžadují důkladné chladiče-při dvojpulsním usměrnění využíváme obě půlvlny střídavého proudu, takže nevznikají prodlevy mezi pulsy-tím se liší dvojpulsní od jednopulsniho usměrnění-účinnost dvojpulsního usměrnění je proto větší a při zatížení usměrňovače nedochází k výraznému poklesuvýstupního napětí.2 Rutar Jaromír, Síťový zdroj

Rutar Jaromír, Síťový zdroj 3Dvoucestný usměrňovač s kondenzátoremSekundární vinutí trafa má vyvedený střed, který se obvykleuzemníVýstupní napětí U 2 a U 2 ‘ jsou vůči sobě fázově posunutá o 180°-proud prochází střídavě diodami D 1 a D 2-diodou D 1 prochází kladná půlvlna napětí U 2-dioda D 2 je přitom zavřená-diodou D 2 prochází proud ve druhé polovině periody-dioda D 1 je přitom zavřená-zátěží tak prochází proud v obou půlperiodách-pulzování proudu má dvojnásobnou síťovou frekvenci-zvlnění je asi poloviční, než u jednocestného usměrnění-napětí na C se sčítá s napětím na diodě v závěrném směru-diody jsou tak při chodu naprázdno namáhány ve zpětném směru dvojnásobným napětím (tj. 2U 2 )-při volbě diod je tuto skutečnost nutno respektovat→ U 2 = průběh napětí před diodami→ U d = průběh usměrněného napětí za diodami (tepavé)(zapojení bez kondenzátoru)→ Ud +C = průběh usměrněného napětí za diodami(zapojení s kondenzátorem)Můstkový usměrňovač s kondenzátorem-průběhy napětí jsou shodné jako u dvoucestného usměrňovače-trafo má pouze jednoduché vinutí-diody jsou 2x méně namáhány, neboť jsou vždy po dvou v sérii-diod musí být ovšem zase 2x víc-zapojení se vzhledem k výhodám používá nejvíce-je známé též pod jménem Graetzův můstekRutar Jaromír, Síťový zdroj 3

4 Rutar Jaromír, Síťový zdrojTřífázové usměrňovačeVe zdrojích se používají méně často, většinou se s nimi setkáme ve svářečkách el.obloukem, v nabíječkáchvelkých baterií a v alternátorech automobilů.Zde se používají pouze dvě zapojení: uzlové se třemi diodami a můstkové se šesti.Někdy se setkáme (při použití transformátoru) se šestifázovým zapojením (transformátor má pro každou fázidvě symetrická vinutí s prohozeným začátkem). Toto zapojení se používá v zařízeních, kde jsou třeba velké,málo zvlněné proudy.Jednocestný usměrňovačMůstkový usměrňovač-jsou usměrňovány i záporné půlvlny-usměrnění je dokonalejší-zvlnění je zhruba poloviční-(oproti jednocestnému třífázovému)Porovnáme-li výsledné průběhy usměrněného napětí 1f a 3f usměrňovače zjistíme:-vzrůstá frekvence zvlnění-klesá amplituda zvlnění U ZV-usměrněné napětí se stále více blíží svým průběhem čistě stejnosměrnému napětí-(a to i bez použití kondenzátoru paralelně připojeného k zátěži)4 Rutar Jaromír, Síťový zdroj

Rutar Jaromír, Síťový zdroj 5Usměrňovače-slouží k přeměně střídavého napětí na stejnosměrné pulzující-k této přeměně se používají diody (vedou el.proud pouze jedním směrem, dřívější název polovodičový ventil)-známe několik možných zapojení usměrňovačů, nejčastěji se setkáme s usměrňovačem můstkovým (Graetz)Usměrnění střídavého proudu pomocí diodVšechny elektronické spotřebiče napájené ze sítě musí obsahovat usměrňovač. Pomocí usměrňovače sepřevede střídavý tok na stejnosměrný. K této funkci se používá vhodně zapojených diod a transformátorů. Vjednofázové síti se používají tři základní zapojení usměrňovačů. Nejméně časté je zapojení jednocestné,nejčastější můstkové. Zapojení s vyvedeným středem (uzlovým) se setkáváme pouze ve zvláštních případech,vyžaduje totiž složitější transformátor (dvě vinutí).V některých případech se setkáváme ve zdrojích i s násobiči napětí, nejčastěji se používá Delonův zdvojovač ujednoduchých zapojení, vyžadujících symetrické napájení, nebo ve spínaných zdrojích, kde se pro 220Vpoužije můstkový usměrňovač, který se při napájení ze 110V přepojí na Delonův zdvojovač. Villardův násobičnalezneme pouze ve zdrojích vysokého napětí, například v ionizátorech nebo vysokonapěťových zdrojích proobrazovky.Třífázové usměrňovače se používají méně často, většinou se s nimi setkáme ve svářečkách el. obloukem,nabíječkách velkých baterií a alternátorech automobilů. Zde se používají pouze dvě zapojení: uzlové se třemidiodami a můstkové se šesti. Někdy se setkáme (při použití transformátoru) se šestifázovým zapojením(transformátor má pro každou fázi dvě symetrická vinutí s prohozeným začátkem). Toto zapojení se používáv zařízeních, kde jsou třeba velké, málo zvlněné proudy.I ve spínaných zdrojích se používají usměrňovače (jak na primární tak na sekundární straně). Zde se vzhledemk vyšší ceně spínaných diod můžeme setkat i s velmi neobvyklými řešeními usměrňovačů ve vícehladinovýchzdrojích.Vzhledem k velkému rozšíření usměrňovačů to byly jedny z prvních součástek sdružovaných do bloků.Nejdříve se objevily dvě diody v jednom pouzdru, později celé můstky. Dnes se vyrábí mnoho různýchprovedení blokových usměrňovačů s nejrůznějším vnitřním zapojením. Jejich vzájemná záměna není častomožná, vzhledem k různé poloze vývodů (i podobné typy stejného výrobce). Proto si při opravách a výměnáchbloků vždy dobře přezkoušejte vnitřní zapojení bloku.Použití diod v usměrňovačích se řídí velikostí usměrňovaného proudu, napětím, zapojením usměrňovače apracovním kmitočtem. Pro řešení běžných usměrňovačů vystačíme s několika rovnicemi. Řešení usměrňovačůve zvláštních podmínkách (například při výkonové optimalizaci), již ale vyžaduje náročná matematická řešení.To je způsobeno nelineární charakteristikou diody.Základní vlastnosti diodyPro návrh usměrňovače musíme znát základní vlastnosti diod, a to zejména:• Závěrné napětí• Opakovatelný maximální proud v propustném směru• Neopakovatelný maximální proud v propustném směru• Úbytek napětí v propustném směru• Komutační dobuV katalogu bývají použity následující písmenné indexy:F →forward -dopředné napětí/proud -veličiny v propustném směruR →reverse -zpětné napětí/proud -veličiny v závěrném směruAK →anoda-katoda -dopředné napětí/proud -veličiny v propustném směruKA →katoda-anoda -zpětné napětí/proud -veličiny v závěrném směruAnoda →kladná část diody, je-li na ní (+) napětí (proti katodě), je dioda polarizována v propustném směruKatoda→záporná část diody, je-li na ní (-) napětí (proti anodě), je dioda polarizována v propustném směruRutar Jaromír, Síťový zdroj 5

6 Rutar Jaromír, Síťový zdrojV usměrňovačích je kladné výstupní napětí na KATODĚ.Podrobný výpočet usměrňovače je složitý, a dá se nalézt v literatuře.Pro potřeby nejjednoduššího návrhu musíme zjistit v podstatě dvě veličiny:Závěrné napětí diody a maximální propustný proud.Závěrné napětíurčíme z napětí střídavého. Velikost střídavého napětí je udávána jako efektivní – diodu však v závěrnémsměru zatíží hodnota špičková. Nezapomeňme i na kolísání napájecího napětí v síti (±10%).Pokud je za diodoukapacitní filtr, musíme závěrné napětí zdvojnásobit (rozdíl kladného a záporného špičkového napětí –kondenzátor je nabitý). U můstkového usměrňovače jsou vždy dvě diody v sérii – což sníží potřebné závěrnénapětí na polovinu. Pro praktické účely postačí volit závěrné napětí diod v můstkovém usměrňovači větší než1,5 násobek střídavého vstupního napětí.Propustný proudurčíme z maximálního výstupního proudu. Diodu ohřívá efektivní proud. Ten je roven 1,11 násobkuvýstupního pulzujícího proudu. Protože však v můstkovém usměrňovači protéká proud diodou každou pouzepo dobu jedné půlvlny, a v druhé je uzavřena, je možné diody dimenzovat přibližně na hodnotu menší (0,707násobek). Pokud je na výstupu zařazen kapacitní filtr protéká v prvním okamžiku po zapnutí diodami proudmnohonásobně vyšší (nenabitý kondenzátor představuje zkrat). Tento proud může diody poškodit pokudpřesáhne hodnotu neopakovatelného špičkového proudu a u větších filtračních kondenzátorů s ním musímepočítat.Komutační dobaPři přepólování diody nepoklesne proud diodou okamžitě, ale až po určité (velmi) krátké době. To jezpůsobeno omezenou rychlostí šíření nosičů náboje (děr, elektronů) v polovodičovém krystalu. Ty se musí připřepólování přesunout k elektrodám na opačných stranách diody, a teprve po té je obnovena izolační bariéra.Komutační doba je přímo závislá na velikosti diody. Tento jev vytváří krátké a intenzivní proudové pulzy,které mohou být zdrojem vysokofrekvenčního rušení („vrčení“ rozhlasových přijímačů, zesilovačů apod.). Lzeje potlačit pomocí kondenzátorů malých hodnot (pokud možno s malou vlastní indukčností) připojenýchparalelně ke každé diodě.Úbytek napětí v propustném směruTento úbytek je důležitý, zejména při návrhu zdrojů z malým výstupním napětím. Toto napětí působí protivýstupnímu, a musí se od vstupního napětí odečíst. V můstkovém usměrňovači jsou dvě diody v sérii – napětízapočítáme dvakrát. Pro první odhad můžeme napětí pro běžné křemíkové diody stanovit přibližně 1V.Rušení v usměrňovačích a násobičíchObecně v každé diodě dochází při změně polarity k rekombinaci volných nosičů proudu. To znamená, že připřepólování diody nezanikne proud diodou okamžitě, ale až za nějaký velmi krátký čas. Proto po krátkýokamžik po průchodu síťového napětí nulou prochází diodou proud. Okamžik průchodu proudu je velmikrátký, vznikne velmi úzký impulz. Tento impulz je zdrojem rušení, které pokrývá kmitočtové spektrum až dooblasti stovek megahertzů a od usměrňovače se šíří vedení i prostorem. Proto se stává, že neodrušený zdroj, i svelmi dobrou filtrací způsobí rušení rozhlasového přijímače. Výsledkem je slyšitelné rušení přijímanéhosignálu kmitočtem 50 a 100Hz. Pro zamezení tohoto rušení se ke každé diodě připojuje paralelně malýkeramický kondenzátor (řádově jednotky nanofaradů). Tento kondenzátor zachytí komutační špičky diod. Musíbýt dimenzován na 1,5 násobek vstupního střídavého napětí.6 Rutar Jaromír, Síťový zdroj

Rutar Jaromír, Síťový zdroj 7Návrh jednofázového usměrňovačeJednocestný usměrňovač Dvoucestný usměrňovač Můstkový usměrňovačSchémaVýstupní napětíVýstupní proudStřední prouddiodouEfektivní prouddiodouŠpičkový prouddiodouZávěrné napětíŠpičkovévýstupní napětíKmitočetzákladní 50Hz 100Hz 100HzharmonickéZvlnění 121% 48,5% 48,5%VýhodyNevýhodyJednoduché zapojeníMůže být připojeno přímo na síťVelké zvlnění výstupního napětíVinutím transformátoru procházístejnosměrná složka (nadměrnézahřívání)Velké zkreslení vstupního napětíPotřebuje jen dvě diodyVelká účinnostusměrňovačeMůže pracovat jen stransformátoremDiody zatíženy velkýmzávěrným napětímSložitější transformátorMenší napěťové zatížení diodMůže být připojeno přímo nasíťMenší účinnostPotřeba čtveřice diodRutar Jaromír, Síťový zdroj 7