Dvojcestný usměrňovač
Diodový můstek
Ten může být tvořen buď samostatnými čtyřmi diodami nebo přímo diodovým můstkem v jednom pouzdře se čtyřmi vývody. Tak či onak jsou podstatné hodnoty maximálního proudu jednotlivými diodami a maximální napětí na každé z nich. S proudem je to jednoduché. Diody musí snést alespoň maximální požadovaný proud na výstupu. Lepší je však počítat se zkratovým proudem transformátoru a ještě s nějakou rezervou. Co kdyby náhodou... S napětím je to ale trochu jinak než by se zdálo na první pohled. Na každé z diod je totiž v jistém okamžiku na jednom vývodu (anodě nebo katodě) minimální napětí a na druhém napětí maximální. Jejich rozdíl a zároveň i nejnižší možná hodnota napětí, které musí diody vydržet, je tedy 2·Um. I zde je potřeba počítat s nějakou tou rezervou - mimo jiné i kvůli výkyvům napětí v el. síti.
V případě použití jednocestného usměrňovače (pouze jedné diody namísto můstku) by se čas vybíjení filtračního kondenzátoru t (viz níže) rovnal téměř celé periodě T, tím pádem by filtrační kondenzátory musely mít dvojnásobnou kapacitu a to by se značně prodražilo. Rovněž by se využila jen horní půlvlna střídavého proudu a tedy pouze polovina maximálního výkonu transformátru. Vzhledem k tomu, že cena diod a i celých diodových můstků se pohybuje v jednotkách korun, tak je stavba jednocestného usměrňovače značně neekonomická a používá se pouze ve zdrojích malého výkonu.
Filtrační kondenzátory
Praxe s filtračními kondenzátory se většinou zakládá na... "dej tam 10 mF, to snad bude stačit" nebo v těch lepších případech na poučkách typu "několik mili Faradů na každý Ampér odebíraný ze zdroje". Ale jakou hodnotu mají mít přesně, s tím si většinou amatérští konstruktéři hlavu nelámou. Kondenzátory s takto vysokými hodnotami, které jsou do výkonových zdrojů potřeba, přitom nebývají zrovna levné. Takže je zbytečné, aby byla jejich hodnota několikrát větší než je třeba. Na druhou stranu by však neměla být moc malá, aby nedocházelo ke zvlnění napětí při vyšší zátěži. Jaká je tedy hodnota optimální? Na to Vám odpoví několik následujících vzorečků.
Maximální hodnota střídavého napětí transformátoru při plném
zatížení je Um. Minimální napětí na výstupu zdroje si
označíme Ux. Nás teď bude zajímat rozdíl těchto napětí, který
si označíme například jako Ur.
Graf průběhu napětí za usměrňovačem (na kondenzátoru):
Z definice Faradu vyplývá vztah:
C = ( Im·t ) / Ur
Dosadíme vzorec pro čas t = 0,5·T a pro napětí Ur = Umax -
Ux:
C = ( Im·0,5·T ) / (Um - Ux)
Po dosazení vzorce pro frekvenci f = 1 / T a jednoduché úpravě dostaneme výsledný
vztah:
C = Im / [ 2f·(Um - Ux) ]
, kde:
Um = maximální napětí na výstupu; [Ur]=V
Ux = minimální napětí na výstupu při maximální zátěži;
[Ur]=V
Ur = rozdíl Um a Ux; [Ur]=V
Im = maximální proud odebíraný ze zdroje; [Im]=A
t = přibližný čas, po který se filtrační kondenzátor vybíjí; [t]=s
T = perioda; [T]=s
C = kapacita filtračního kondenzátor; [C]=F
f = frekvence střídavého napětí; [f]=Hz (pro el. síť 50Hz)
Kondenzátor stačí ve skutečnosti o něco menší, protože čas vybíjení je o
trochu kratší než 0,5·T. Na přesnější výpočet by byla potřeba
vyšší matematika. Ale i takto vycházejí výsledky při
"rozumném" poměru Um a Ur s minimální odchylkou.
Je velmi důležité, aby kondenzátory vydržely maximální napětí Um. I zde je kvůli možným výkyvům v el. síti počítat s větší rezervou.
Příklad schéma zdroje:
Pojistka
Z bezpečtnostních důvodů je vhodné do série s primárním vinutím
transformátoru zapojit proudovou pojistku. Pro připojení k elektrické síti stačí
klasická trubičková na napětí 250V. Proud, při kterém se má pojistka přetavit by
měl být o něco málo větší než maximální proud primárním
vinutím I1.
Proud primárním vinutím při plném zatížení zdroje se spočítá
podle následujícího vzorce:
I1 = ( U2·I2 ) / ( U1·n )
, kde:
I1 je maximální proud primárním vinutím transformátoru;
[I1] = A
I2 je maximální proud sekundárním vinutím transformátoru, v
našem případě rovněž značený jako Imax; [I2] = A
U1 je efektivní napětí na primárním vinutí transformátoru (pro
el. síť U1 = 230V); [U1] = V
U2 je efektivní napětí na sekundárním vinutí transformátoru, v
našem případě rovněž značený jako Uef; [U2] = V
n je účinnost transformátoru (pohybuje se přibližně od 0,6 do 0,98 podle použitého
transformátoru); [n] = 1
Transformátor
Napětí transformátoru
Na výstupu požadujeme i při maximálním zatížení zdroje napětí minimálně Ux. Napětí maximální je Um a je větší o Ur (viz výše). Efektivní hodnota napětí transformátoru uváděná na štítcích a v katalozích se značí Uef. Následuje jednoduchý vzoreček pro výpočet této efektivní hodnoty napětí na sekundárním vinutí:
Uef = [ Um + ( 2·Ud )] / √2
, kde Ud je úbytek napětí na jedné diodě diodového můstku, který je nutné připočítat k požadovanému maximálnímu napětí. Pohybuje se přibližně od 0,4 do 1V podle typu diod. Proud protéká vždy dvěma diodami, proto dvakrát Ud. Transformátor se pochopitelně nechová jeko ideální zdroj střídavého napětí, ale má svůj vnitřní odpor (přesněji vnitřní impedanci). Tím pádem je zákonitě jeho výstupní (sekundární) napětí nižší při maximálním zatížení než když není zatížen vůbec. Vypočtené efektivní napětí Uef musí být zaručeno i při maximálním zatížení.
Výkon transformátoru
Maximální výkon transformátoru musí být vyšší minimálně o výkonovou ztrátu na diodách než maximální výkon zdroje respektive maximální příkon zařízení zapojeného na výstupu zdroje. Výkonová ztráta na diodách se vypočítá:
Pd = 2·Ud·Im
Z toho pak minimální výkon transformátoru:
P = P2 + Pd = P2 + 2·Ud·Im
, kde:
Pd je maximální výkonová ztráta na jedné diodě; [Pd]
= W
P2 je maximální výkon zdroje (maximální příkon
zařízení zapojeného na výstupu zdroje); [P2] = W
P je výkon transformátoru; [P] = VA
Transformátor se vyplatí zakoupit hotový nebo objednat na zakázku. Jeho konstrukce v
amatérských podmínkách je náročná a většinou i
nákladná. Navíc při vlastním návrhu nejsou zaručeny požadované parametry a
ani bezpečnost.
Martin Olejár
martin@ elweb.cz
DOWNLOAD & Odkazy
- Václav Malina - Poznáváme elektroniku 2
- Domovská stránka autora - http://www.elweb.cz
