Mnohem lepšá vlastnosti mç usměrňovač dvoucestnâ

Transkript

1 USMĚRŇOVAČE Usměrňovače sloužá k usměrněná střádavâch proudů na proudy stejnosměrnã. K vlastnámu usměrněná se použávajá diody, ať již elektronky, či polovodičovã. Elektronkovã usměrňovače - tzv.eliminçtory- využávajá vlastnostá el. propustnosti soustavy katoda (vlçkno) - anoda. Polovodičovã diody využávajá vlastnosti PN přechodu. U obou lze řáct, že vedou proud jen jednám směrem a vlastně tak propouštějá na svůj vâstup jen jednu ze složek střádavãho proudu - podle jejich polarity - buď zçpornou, nebo kladnou. Připojáme -li na anodu diody střádavã napětá, projde na katodu jen kladnç složka, zçpornã půlvlny nebudou propuštěny. Na vâstupu tak dostçvçme kladnã napětá. Pokud diodu obrçtáme, budou naopak z katody na anodu prochçzet zçpornã půlvlny a na vâstupu se objevá zçpornã napětá.

2 Na obrçzcách vidáme konkrãtná zapojená jednocestnâch usměrňovačů. Na prvnám je k usměrněná použitç elektronka, na druhãm polovodičovç dioda. Protože napětá za diodou je tepavã - je zde usměrňovçna jen jedna půlvlna proudu- je na křivce vidět značnç prodleva mezi jednotlivâmi kladnâmi půlvlnami. To jednoduchâ usměrňovač znevâhodňuje, protože k tomu aby se vâstupná napětá vyhladilo je potřeba kondenzçtoru velikã kapacity. Kondenzçtor sloužá prçvě k vyhlazená, neboť jeho nçboj dodçvç do zçtěže proud prçvě po dobu, kdy je napětá za diodou na nule. I tak ale zůstçvç vrchná čçst křivky zvlněnç, a to tám váce a směrem k nule hlouběji, čám je filtrace, tedy kapacita kondenzçtoru menšá. Stejně funguje i tlumivka, o indukčnosti jednotek až stovek henry! Kondenzçtor za tlumivkou pak již nemusá mát tak velkou kapacitu a vyhlazuje jen zvlněná za tlumivkou. Vakuovã diody, např. VY1, nebo UY1N byly takovâmito jednocestnâmi usměrňovači. Obecně lze řáct, že tento typ usměrňovače se použávç pro záskçvçná pomocnâch napětá, tam, kde nená velkãho nçroku na zvlněná vâstupnáho napětá. Mnohem lepšá vlastnosti mç usměrňovač dvoucestnâ

3

4 Tento dvoucestnâ usměrňovač poskytuje na vâstupu mnohem menšá zvlněná stejnosměrnãho napětá, protože jsou usměrňovçny dvě půlvlny střádavãho proudu, každç je však fçzově posunuta a tám zaplňuje mezeru na křivce. Napětá však i zde klesç až k nule, nená zde však žçdnç prodleva "nulovãho" proudu jako v přápadě jednocestnãho usměrňovače. V obou přápadech, zde, i v přápadě jednocestnãho usměrněná protãkç vinutám transformçtoru stejnosměrnâ proud. Ten sytá jçdro a zvyšuje ztrçty transformçtoru. V přápadě elektronkovãho usměrňovače se s vâhodou použávaly dvojitã diody, např. typu AZ1, AZ11, GZ33, EZ81, 6Z31 Obě měly v baňce dvě anody a byly přámo pro tento druh usměrněná určeny. Max. kapacita vyhlazovacáho kondenzçtoru takovãhoto zdroje byla předepisovçna vârobcem elektronek. V přápadě doudiody AZ1 byla Cmax = 60uF (a většina diod mç předepsanou podobnou, nebo stejnou kapacitu).takovâto usměrňovač bâval nejčastěji použávçn u většiny starâch lampovâch rçdiá. (pokud ovšem nešlo o sáťovã přijámače bez transformçtoru, kde se jednalo o usměrňovač jednocestnâ.) Vâhodou dvoucestnãho usměrňovače je to, že můžeme použát kondenzçtor s menšá kapacitou při stejnãm zvlněná, protože se nabájá dvakrçt častěji než u usměr. jednocestnãho. Dalšá vâhodou je polovičná proudovã namçhçná diod. Nevâhodou je naopak už zmáněnã stejnosměrnã sycená trafa a potřeba dvou vinutá. (Pro elektronkovã přástroje dřáve běžně sãriově vyrçběnã typy transformçtorů měly několik sekundçrnách vinutá - např. 2x250V/80mA, 4V/4A, 6,3V/3A. vinutá 4 a 6,3 V (přápadně i jinã, třeba 12,6V/2A) byly určenã pro žhavená elektronek. Pro žhavená usměrňovacá elektronky byly často využávçna vinutá 4V, např. pro AZ1. (kterç odebárala proud až 1,1A!)

5 Dokonalejšám dvoucestnâm usměrňovačem je usměrňovač Graetzův (Grëtzův), takã zvanâ můstkovâ. Tento dvoucestnâ usměrňovač je dnes velice rozšářenâ, realizuje se prakticky vždy s polovodiči, jeho vlastnosti jsou nejlepšá a trafo nepotřebuje dvojitã vinutá, ani nená zatěžovçno stejnosměrnâm sycenám. Kromě vâše zmáněnâch zapojená usměrňovačů existujá i usměrňovače, kterã na vâstupu dçvajá napětá jak kladnã, tak zçpornã vůči nule. Řákç se jim usměrňovače symetrickã, existujá jak v provedená jednocestnãm, tak dvoucestnãm.

6 Protože je někdy potřeba zajistit, aby vâstupná napětá bylo vyššá, než napětá sekundçrnáho vinutá, použávajá se zdvojovače napětá, kterã na vâstupu poskytujá dvojnçsobnã napětá. Vâstupná napětá U2 = 2xU1

7

8 V některâch přápadech je potřeba vâstupná napětá zvâšit ještě váce, i na mnohonçsobek! Přákladem jsou nçsobiče napětá, kterã se použávajá např. ve zdrojách VN v televizorech a monitorech, kde napçjejá vysokâm napětám (běžně 10-25kV) obrazovku.

9 I zde existujá nçsobiče pro symetrickç napětá Pro usměrněná vysokãho napětá je potřeba použát usměrňovač, kterâ toto napětá snese, aby se polovodiče nepoškodily. Toho se dosahuje řazenám diod za sebe, tak aby se na nich napětá pravidelně rozložilo a každç dioda tak byla zatážena jen čçstá vys. napětá. Ke zlepšená tohoto rozložená se použávajá přádavnã odpory, volá se hodnoty v řçdech stovek kiloohmů až jednotek či desátek megaohmů.

10 Jako usměrňovacách prvků - diod se použávajá nejčastěji křemákovã diody. Tomu tak vždy ale nebylo. Krom již zmáněnâch elektronek - diod, se použávaly takã selenovã usměrňovače, kuproxovã usměrňovače, diody germaniovã, a takã usměrňovače jinãho typu, dnes prakticky nepoužávanã - např. rtuťovã, elektrolytickã apod. Všechny usměrňovacá prvky se mnohdy, zvlçště dřáve označovaly jako ventily. Existovaly i usměrňovače mechanickã. Protože lze usměrnit napětá jednofçzovã, je stejně tak možno usměrnit napětá libovolnãho množstvá fçzá. Představme si jednocestnâ usměrňovač jako usměrňovač jednã fçze obr.a. Dvoucestnâ s dvojám vinutám transformçtoru jako usměrňovač dvou fçzá s fçzovâm posunem 180 o -obr.b. A podobně lze provãst i usměrňovač s fçzemi třemi, kde jsou fçze vzçjemně posunuty o 120 o -obr. C. Na obrçzku C vidáme, že zvlněná se oproti obr. A a B zlepšilo, neklesç již k nule!. Pokud použijeme usměrňovač z obrçzku D, ten je celovlnnâ, zmenšá se zvlněná ještě váce a na vâstupu dostçvçme prakticky hladkã usměrněnã napětá, aniž bychom k filtrovçná použili kondenzçtory či tlumivky! Takovãto třáfçzovã usměrňovače se použávajá k usměrněná nejen sáťovãho třáfçzovãho napětá, ale i napětá alternçtorů v automobilech, a takã často k usměrněná třáfçzovâch svçřecách transformçtorů.

11 Abychom dokçzali určit kde a jakãho použát usměrňovače pováme si něco o jejich el. parametrech, abychom byli sto vypočást všechny hodnoty nutnã pro nçvrh transformçtoru, dimenzovçná součçstek..apod.. Usměrňovač jednocestnâ

12 Vâstupná napětá Ud = 0,45Us Vstupná napětá efektivná..us = U1max/1,414 Maximçlná, špičkovã napětá zdroje U1m = 1,414Uef Vâstupná proud Id = 0,64Is Středná proud diodou IFs =Id Efektivná proud diodou..if =1,57Id Špičkovâ proud diodou..ifm =3,14Id Zçvěrnã napětá URM =3,14Ud Špičkovã vâstupná napětá..udm = 3,14Ud Zvlněná 121% Kmitočet zçkladná harmonickã..50hz Usměrňovač dvoucestnâ

13 Vâstupná napětá Ud = 0,9Us Vstupná napětá efektivná..us = U1max/1,414 Maximçlná, špičkovã napětá zdroje U1m = 1,414Uef Vâstupná proud Id = 1,41Is Středná proud diodou IFs =0,5Id Efektivná proud diodou..if =0,707Id Špičkovâ proud diodou..ifm =1,57Id Zçvěrnã napětá URM =3,14Ud Špičkovã vâstupná napětá..udm = 1,57Ud Zvlněná 48,5% Kmitočet zçkladná harmonickã..100hz Usměrňovač můstkovâ (Graetzův)

14 Vâstupná napětá Ud = 0,9Us Vstupná napětá efektivná..us = U1max/1,414 Maximçlná, špičkovã napětá zdroje U1m = 1,414Uef Vâstupná proud Id = 1,41Is Středná proud diodou IFs =0,5Id Efektivná proud diodou..if =0,707Id Špičkovâ proud diodou..ifm =1,57Id Zçvěrnã napětá URM =1,57Ud Špičkovã vâstupná napětá..udm = 1,57Ud Zvlněná 48,5% Kmitočet zçkladná harmonickã..100hz Diody musá bât vybárçny pro proud vyššá, než I FM a napětá vyššá než napětá špičkovã a napětá zçvěrnã. Platá pro všechny usměrňovače. Vâpočet filtračnáho kondenzçtoru Aby napětá za usměrňovačem bylo hladkã s co nejmenšám brumovâm napětám, je potřeba jej dobře vyfiltrovat - vyhladit. K tomu prçvě sloužá kondenzçtor

15 na vâstupu usměrňovače. Zpravidla se odhaduje, a to zcela nesprçvnâm způsobem, že na každâ 1A proudovãho odběru použijeme kondenzçtor o kapacitě 1000uF (1G, 1mF). Lepšá je potřebnou kapacitu prostě vypočátat. Záskçme sprçvnou hodnotu poměrně přesně. Přitom stačá použát zjednodušenâ vzorec, platnâ pro usměrňovçná napětá o sáťovãm kmitočtu. Kapacita C pak bude: C = k. I / Ubr Kde C je kapacita kondenzçtoru v uf (mikrofarçdech) k je koeficient zvlněná Ubr je brumovã napětá ve voltech I je odebáranâ proud (maximçlná) v ma Př. Pro zdroj 20V/1A a pro max. kolásçná vâstupnáho napětá 1V potřebujeme kondenzçtor o kapacitě: C = k. I / Ubr Zvlněná 1V odpovádç 5% z napětá 20V, tedy k = 9 Dosazenám C = /1 = 9000uF Pro zdroj voláme graetzův usměrňovač a filtračná kondenzçtor uF (10G) /25V Pokud může bât zvlněná většá, např. 2V, může bât kapacita menšá. Při tomto zvlněná pak vychçzá kapacita C = 4250uF, použijeme kondenzçtor 4700uF.

16 Vâpočet nçsobiče Př. Potřebujeme zdroj napětá 2,2kV/0,01A Nejdřáve zjistáme jakã napětá U1 mç mát transformçtor. U1 = 0,85. U3 /k k.počet nçsobácách stupňů..(podle tohoto obrçzku je k =3) U1 = 0, = 1870/3 = 623V

17 Voláme transformçtor se sek. napětám 600 až 630V (může to bât např. starâ sáťovâ transformçtor z elektron. rçdia, kterâ měl sek. vinutá 2x 300V/60mA) Vâpočet kapacity kondenzçtorů C = I/ fu 3. 2k(k+2) I usměrněnâ proud..v A U3.vâstupná napětá vev C kapacita kondenzçtoru v uf f kmitočet sátě (nebo kmitočet vstupnáho napětá) k počet nçsobácách stupňů po dosazená.. C = 0,01/ = 0, = 0, = 1uF Dçle je nutnã vypočást provozná napětá kondenzçtorů C2, C3 Ucap = 2U3/k = /3 = 1466V Kondenzçtory C2, C3 je potřeba vybrat na napětá většá než 1500V Napětá na kondenzçtoru C1 je ale jinã Ucap1 = U3/k = 733V Kondenzçtor C1 vyhová pro napětá většá než 750V Kondenzçtory mohou bât svitkovã, nebo i elektrolytickã. Aby vysokã napětá vydržely diody, musá bât dimenzovçny pro zçvěrnã napětá Urm (staršá nçzev pro zçvěrnã napětá je napětá zpětnã, nebo napětá reversná) Urm = 2,8U1 Urm = 2, = 1744,4V Diody musáme vybrat pro zçvěrnã napětá 1750V nebo vyššá Vyhová např. dvě diody za sebou typu BY133.

18 Nçsobiče napětá jsou jednoduchou nçhradou vysokonapěťovâch zdrojů, jejich funkce je při sprçvně dimenzovanâch součçstkçch bezvadnç, ale s počtem nçsobácách stupňů rychle klesç îčinnost! Proto se např. nençsobá napětá v řçdech desátek voltů do napětá na îrovni kilovoltů. Teoreticky to samozřejmě možnã je, protože počet stupňů nená omezen. Obecně.. lze o usměrňovačách řáct, že se k jejich konstrukci hodá lãpe diody křemákovã, neboť majá îčinnost lepšá, než diody germaniovã a jejich teplota může bât až o C. Diody germaniovã majá většá îčinnost než křemákovã jen do napětá 10V a jejich provozná teplota nesmá překročit 80 o C. Germaniovã diody majá menšá îbytek napětá, asi 0,2-0,4V, křemákovã mnohem většá 0,6-1V. Jak vyplâvç z tãto charakteristiky, vede germaniovç dioda proud od 0,2VUf, pokud je hrotovç, vhodnç pro detekci, pak vede proud od napětá 0,1V, nebo i o něco menšá! Naproti tomu dioda křemákovç vede proud až od 0,6-0,8V. A obecně platá, že každã zvâšená teploty o 1 o C mç za nçsledek snážená napětá Uf o 1,5-2,5mV. Hrotovã diody se dnes použávajá jen k usměrňovçná vysokofrekvenčnách proudů, protože jsou citlivã a majá menšá kapacitu přechodu PN. Prçvě kvůli velkã ploše a tám i velkã kapacitě přechodu PN se naopak nehodá k

19 usměrňovçná VF proudů diody vâkonovã, kterã jsou určenã k usměrňovçná velkâch proudů názkâch kmitočtů. PN přechod diod se při provozu zahřávç, a to tám váce, čám mç dioda většá Uf a čám váce je zatážena proudem If. Vâkonovâ usměrňovač se tedy za provozu zahřávç a teplo je potřebnã nějak odvãst. Pokud tepla nená mnoho, pak se stačá vyzçřit do okolá a dioda zůstane za provozu chladnç. Pokud je tepla mnoho, pak musáme diodu chladit. Pokud je dioda v kovovãm pouzdru, nebo v pouzdru vâkonovãho tranzistoru, či můstek přámo určenâ pro montçž na chladič, pak nebâvç problãm ji připevnit na hlinákovâ chladič, kterâ teplo spolehlivě odvede. Diody v plastovâch pouzdrech nelze připevnit na chladič, ale i ty je někdy nutno chladit! Provçdá se to tak, že se ponechajá diodě ještě před osazenám poněkud delšá vâvody. Diody v těchto pouzdrech jsou totiž chlazeny skrze jejich přávody. Pçjecá plošky na DPS pak je vhodnã volit co největšá, aby odvod tepla pokračoval i zde, na desku DPS, kde se teplo lãpe rozptâlá, nebo kde lze přápadně připçjet i malã chladácá křidãlko. Chlazená je takã možno pomoci malâm ventilçtorem, což ovšem platá pro jakãkoliv chlazená obecně. Pokud se zamysláte nad tám, kterç ze součçstek bude hřejácám diodçm nejbláže, napadne vçs dalšá důležitç součçst usměrňovače - filtračná kondenzçtor! Ten je prçvě na většá teplo choulostivâ a je proto nutnã jej umástit poněkud stranou od diod, tak aby se jejich teplo nevysçlalo přámo na něj, nebo dokonce aby se diody dotâkaly kondenzçtoru!! Při nçvrhu zdroje je nutnã pamatovat na to, že na diodçch vznikajá îbytky napětá a napětá transformçtoru proto musá bât o něco vyššá, než napětá požadovanã na vâstupu. Napětá sekundçru se proto volá o 1,1 většá. ïpravy a zajámavosti usměrňovačů V některâch přápadech se konstruujá usměrňovače, kterã mohou bât přepánatelnã

20 Na obrçzku je usměrňovač, kterâ se použávç často u spánanâch zdrojů, zvlçště ve spánanâch zdrojách počátačů. Je-li vstupná napětá 230V, je přepánač S1 rozepnut a usměrňovač funguje jako můstkovâ na vâstupu se objevá napětá okolo 325V, kterã se dçle použije k napçjená spánanãho zdroje. Pokud je napětá sátě 115V, což v některâch zemách je, spánač S1 se sepne a tám se z můstku stçvç zdvojovač napětá, tedy na vâstupu bude zase napětá okolo 325V. Odpory R1 a R2 sloužá pro rovnoměrnějšá rozložená napětá na kapacitçch a volá se v řçdech stovek kiloohmů. Na dalšám obrçzku je usměrňovač, kterâ lze s vâhodou použát např. pro řázenâ stabilizovanâ zdroj. Transformçtor musá mát ale dvě vinutá, např 2x 20V. Pokud je Př1 v poloze b je usměr. zapojen jako můstkovâ a na vâstupu se objevá napětá obou vinutá, tedy 2U (cca40v). Pokud přepánač Př1 přepneme do

21 polohy a, usměrn. se chovç jako dvoucestnâ na vâstupu bude napětá polovičná tedy U (cca20v). Toho lze prçvě využát v řázenãm zdroji, neboť při nižšách vâstupnách napětách nebudou zbytečně přetěžovçny koncovã tranzistory, protože na nich bude jen polovičná napětá. V některâch přápadech mçme k dispozici transformçtor kterâ mç např. sek. napětá jen 12V. Může to bât třeba transformçtor pro halogenky. Potřebujeme však napětá 24V. V tom přápadě je vhodnã použát zdvojovač, zvlçště se k tomu hodá tzv. Gisperův usměrňovač Na obrçzku je nakreslen Gisperův usměrňovač pracujácá s trafem 12V/4A, kterâ na vâstupu poskytuje stejnosměrnã napětá okolo 26-27V/2A. Někdy je potřebnã odstranit rušivç napětá, kterç se mohou na vâstupu usměrňovače vyskytovat. Jednak mohou pronikat skrze trafo na usměrňovač ze sátě, jednak mohou vznikat přámo na PN přechodech diod. Odstraněná se provçdá připojenám kondenzçtorů, jak vidáme na obrçzcách. Velikost kapacit se volá v rozsahu 1nF až 100nF, vâjimečně i váce. Přesnou hodnotu je nejlãpe odzkoušet. Kondenzçtory by měly bât nejlãpe svitkovã.

22