Ing. Jozef Klus 2012 USMERŇOVAČE A MENIČE OBSAH TEMATICKÉHO CELKU Blokové zapojenie sieťového napájacieho zdroja Jednocestný a dvojcestný usmerňovač, základné zapojenia Mostíkové zapojenie usmerňovačov Riadené usmerňovače Zapojenie filtrov v usmerňovačoch Zdvojovače a násobiče napätia Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou Zapojenie stabilizátora napätia s IO Spínané sieťové zdroje Impulzné zdroje, princíp a použitie Meniče jednosmerného prúdu Striedavé meniče Ing. Jozef Klus 1
BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Sieťové napájacie zdroje: väčšina elektronických zariadení potrebuje pre svoju činnosť jednosmerné napätie jednosmerné napätie môžeme získať pomocou: suchých článkov akumulátorových batérií zo striedavého napätia (napr. rozvodnej siete 230V~/50Hz) pomocou sieťových napájacích zdrojov Ing. Jozef Klus 2
BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Striedavé sieťové napätie sa: transformátorom TR upraví na požadovanú veľkosť, usmerňovačom U sa usmerní, vyhladzovacím filtrom F sa vyhladí a stabilizátorom S sa stabilizuje. BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Základné obvody lineárneho zdroja usmerňovače - sú obvody, ktoré premieňajú striedavé sieťové napätie na jednosmerné stabilizátory - sú obvody, ktoré udržujú stále napätie alebo prúd pri zmenách vstupu (kolísanie siete), alebo pri zmenách odberu do záťaže Ing. Jozef Klus 3
BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Lineárny napájací zdroj používa sa pre napájanie jednoduchších obvodov. V moderných spotrebičoch sa používajú spínané napájacie zdroje - impulzné regulovateľné zdroje majú približne 10x menšiu hmotnosť 3x menší objem a väčšiu účinnosť (asi 85% oproti lineárnym, ktoré majú činnosť asi 30%). BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Súčiastky usmerňovačov kremíkové plošné diódy tyristory selénové prvky, elektrónky (už sa nepoužívajú) Ing. Jozef Klus 4
BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Rozdelenie usmerňovačov jednofázové jednocestné dvojcestné mostíkové trojfázové jednocestné mostíkové riadené umožňujú riadiť výstupné napätie (tyristor) BLOKOVÉ ZAPOJENIE SIEŤOVÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA Použitie usmerňovačov elektronika, ktorá vyžaduje JS napájacie U (zosilňovače, počítače, rádia,...) pohony na JS motory (priemysel, lokomotívy, električky) elektrolýza zváračky nabíjačky akumulátorov meracie prístroje laboratórne zdroje Ing. Jozef Klus 5
JEDNOCESTNÝ A DVOJCESTNÝ USMERŇOVAČ, ZÁKLADNÉ ZAPOJENIA JEDNOCESTNÝ USMERŇOVAČ Prúd I z prechádza do záťaže len keď je na anóde A väčšie napätie ako na katóde K. Záťažou R z prechádza usmernený pulzujúci prúd I z. U 2 je str. U na sekundári transformátora a U d je usmernené U za diódou. Ing. Jozef Klus 6
JEDNOCESTNÝ USMERŇOVAČ Dióda prepúšťa len kladné časti striedavého sínusového napätia. Prúd tečie do záťaže len jednou cestou preto sa volá jednocestný usmerňovač. JEDNOCESTNÝ USMERŇOVAČ U 2 = priebeh napätia pred diódou U d = pulzujúce napätie za diódou I z = priebeh prúdu do záťaže Ing. Jozef Klus 7
JEDNOCESTNÝ USMERŇOVAČ S KONDENZÁTOROM Vznikne vložením kondenzátora za diódu, paralelne k záťaži. JEDNOCESTNÝ USMERŇOVAČ S KONDENZÁTOROM Prechodom prúdu diódou sa nabíja kondenzátor a to len v úseku periódy, keď napätie na anóde diódy je väčšie ako napätie na kondenzátore. Napätie na záťaži kolíše počas nabíjania a vybíjania kondenzátora okolo strednej hodnoty U d. Toto zvlnenie má amplitúdu U zv a je o to menšie, čím menší je zaťažovací prúd I z Ing. Jozef Klus 8
DVOJCESTNÝ USMERŇOVAČ Sekundárne vinutie má vyvedený stred, ktorý sa uzemní. Výstupné napätie U 2 a U 2 sú voči sebe fázovo posunuté o 180. Prúd prechádza striedavo diódam D1 a D2. Diódou D1 prechádza kladná polvlna napätia U2 a v rovnakej dobe je dióda D2 zatvorená a naopak. Prúd prechádza záťažou v obidvoch polperiódach. DVOJCESTNÝ USMERŇOVAČ U 2 = napätie pred diódami U d = usmernené napätie za diódami bez kondenzátora U d +C = usmernené napätie za diódami s kondenzátorom Pulzovanie prúdu má dvojnásobnou sieťovou frekvenciu a zvlnenie je približne polovičné ako u jednocestného usmerňovača. Ing. Jozef Klus 9
MOSTÍKOVÉ ZAPOJENIE USMERŇOVAČOV MOSTÍKOVÉ ZAPOJENIE USMERŇOVAČOV Transformátor má len jednoduché vinutie. Diódy sú dvakrát menej namáhané, pretože sú vždy po dvoch v sérii. Musí ich však byť dvakrát viac. Ing. Jozef Klus 10
MOSTÍKOVÉ ZAPOJENIE USMERŇOVAČOV Priebehy napätia sú rovnaké ako pri dvojcestnom usmerňovači. Toto zapojenie sa využíva najviac. Je známy aj pod menom Graetzov mostík. RIADENÉ USMERŇOVAČE Ing. Jozef Klus 11
RIADENÉ USMERŇOVAČE Ak sa namiesto usmerňovacích diód použijú tyristory, môžeme veľkosť usmerneného napätia plynule meniť od nuly do maximálnej hodnoty. Otváranie tyristorov zaisťuje riadiaci obvod. RIADENÉ USMERŇOVAČE Tyristor je schopný (podľa typu) usmerňovať kladné, alebo záporné polvlny striedavého napätia. Tyristor sa otvorí v okamihu, keď riadiaca elektróda dostane impulz pre otvorenie. Fázovým posunutím impulzu oproti striedavému napätiu môžeme riadiť strednú hodnotu usmerneného napätia (od nuly až po maximálnu hodnotu pri jednocestnom usmernení). Ing. Jozef Klus 12
RIADENÉ USMERŇOVAČE Plynulou zmenou riadiaceho uhla α sa plynule mení stredná hodnota usmerneného napätia U dav ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH Ing. Jozef Klus 13
ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH JS napätie z usmerňovača nie je vhodné pre napájanie elektronických obvodov obsahuje striedavú zložku (zvlnenie) prenáša sa ako rušivé napätie veľkosť zvlnenia vyjadruje činiteľ zvlnenia φ ZV ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH Aby sa zmenšilo zvlnenie usmerneného napätia, musí sa filtrovať Ing. Jozef Klus 14
ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH Druhy vyhladzovacích filtrov pasívne aktívne ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH Pasívne vyhladzovacie filtre RC filter najjednoduchší filter používa sa v jednoduchých zapojeniach málo účinný Ing. Jozef Klus 15
ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH LC filter namiesto R je indukčnosť L je zložitejší (nutná cievka), ale účinnejší ako RC filter cievka uplatňuje striedavý odpor X L =2πfL voči striedavej zložke, ale voči jednosmernej je nulový ZAPOJENIE FILTROV V USMERŇOVAČOCH Aktívny vyhladzovací filter filter sa skladá z pasívneho RC člena a výkonového tranzistora v zapojení so spoločnou bázou má malé rozmery má malý činiteľ zvlnenia Ing. Jozef Klus 16
ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA Násobič napätia je menič napätia zostavený z diód a kondenzátorov, ktorý mení striedavé napätie na jednosmerné napätie o niekoľkonásobne vyššej hodnote. Používajú sa keď treba získať vyššie JS napätie (rádovo stovky voltov až jednotky kilovoltov) ako je max. hodnota napätia na sekundárnom vinutí napájacieho transformátora. Sú vhodné pre malé zaťažovacie prúdy (rádovo ma). Ing. Jozef Klus 17
ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA Sériový zdvojovač napätia - polvlnný zdvojovač napätie na R Z je napätie na C 2, ktorý je nabitý kladnou polvlnou str. U cez C 1 a D 2 a zároveň napätie z C 1, ktorý sa nabil počas zápornej polvlny str. U napätia sa sčítajú a na R Z je dvojnásobné U maximálneho U sekundárneho vinutia transformátora ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA Sériový ztrojovač napätia - polvlnný násobič troma je to podobný obvod ako polvlnný zdvojovač pribudol ďalší stupeň (C 3 a D 3 ), ktorý zvýši výstupné napätie na celkové 3U napätie (obdobne 4U,5U,...) je to mäkký zdroj Ing. Jozef Klus 18
ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA Paralelný zdvojovač napätia využíva obidve polvlny napájacieho napätia pri kladnej polvlne sa nabíja C 1 a pri zápornej sa nabíja C 2 výstupné napätie sa rovná súčtu napätí na kondenzátoroch ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA 4 stupňový násobič napätia Ing. Jozef Klus 19
ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPÄTIA Využitie lacná a malá náhradka za transformátor tam, kde je malý odber prúdu pri vysokom napätí (napr. elektronické lapače hmyzu) staršie televízory používajú násobič napätia ako zdroj predpätia pre obrazovku vo fyzike a všade tam kde je potrebné jednoducho vyrobiť jednosmerné vysoké napätie STABILIZÁTOR NAPÄTIA Ing. Jozef Klus 20
STABILIZÁTOR NAPÄTIA Funkcia stabilizátorov udržujú stále napätie na záťaži pri kolísajúcom napätí zdroja alebo pri zmenách zaťažovacieho prúdu na záťaži Druhy stabilizátorov podľa činnosti parametrické (so Zenerovou diódou) spätnoväzobné (tranzistorové) STABILIZÁTOR NAPÄTIA Činiteľ stabilizácie K charakterizuje vlastnosti stabilizátora vyjadruje ako je stabilizátor schopný zmenšiť kolísanie napätia na výstupe pri konštantnej záťaži pri kolísajúcom vstupnom napätí R Z je konštantný pripojený na výstup stabilizátora U 1 a ΔU 1 vstupné veličiny, U 2 a ΔU 2 výstupné vel. Ing. Jozef Klus 21
STABILIZÁTOR NAPÄTIA SO ZENEROVOU DIÓDOU Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou je to parametrický stabilizátor, vhodný len pre malé odoberané prúdy (~ 10 ma) je tvorený Zenerovou diódou a predradným odporom R S využívajú k svojej činnosti priebeh VA charakter. Zenerovej diódy pri veľkej zmene prúdu nastáva len malá zmena napätia napätie na záťaži U 2 je stále a je rovné U Z bez ohľadu na kolísanie vstup. napätia stabilizátora U 1 STABILIZÁTOR NAPÄTIA SO ZENEROVOU DIÓDOU Činnosť stabilizátora zvýšené napätie U 1 spôsobí prudký nárast záverného prúdu diódou z toho dôvodu vznikne na R S zvýšený úbytok napätia, ktorý zníži napätie U 2 vysvetlenie javu je vo VA charakteristike Zenerovej diódy a rezistora R S dióda pracuje v režime, ktorý určuje pracovný bod P, ktorý určuje napätie na dióde a prúd diódou v závernom smere Ing. Jozef Klus 22
STABILIZÁTOR NAPÄTIA SO ZENEROVOU DIÓDOU VA charakt. rezistora R S spojnica bodov A a B bod A je max. prúd pri výstupe obvodu do skratu U 2 =0 I MAX =U 1 /R S bod B je pri nulovom prúde výstup je naprázdno (bez záťaže) U 2 =U 1 a I=0 pre rôzne veľkosti U 1 tvorí charakt. rezistora R S rovnobežné priamky spojením A a B získame VA charakt. rezistora, ktorá pretína VA charakt. diódy v pracovnom bode P STABILIZÁTOR NAPÄTIA SO ZENEROVOU DIÓDOU Rezistor R S, ktorý nám určuje potrebný prúd Zenerovou diódou vypočítame podľa vzťahu, 0,1. parametre Zenerovej diódy (I Dmax, U Dmin a U Dmax ) sú udávané v katalógovom liste Ing. Jozef Klus 23
SPÄTNOVÄZOBNÝ STABILIZÁTOR NAPÄTIA stabilizátory s tranzistorom a Zenerovou diódou JS napätie na záťaži sa porovnáva so stálym U na Zenerovej dióde odchýlka U sa zosilní a privedie na tranzistor, ktorí sa zatvára, alebo otvára a tak udržuje stále napätie na záťaži podľa II. Kirch. zákona platí U Z =U BE +U 2 SPÄTNOVÄZOBNÝ STABILIZÁTOR NAPÄTIA U Z NA Zenerovej dióde je stále zmena výstupného napätia U 2 spôsobí podľa vzťahu U Z =U BE +U 2 zmenu U BE ak U 2 poklesne, zvýši sa U BE, tranzistor sa viac otvorí, čo spôsobí nárast napätia U 2 ak U 2 vzrastie, zníži sa U BE, tranzistor sa viac zatvorí, čo spôsobí pokles napätia U 2 tranzistor sa chová tak, že pôsobí proti zmene výstupného napätia a tým ho stabilizuje hlavná výhoda možnosť odoberať väčší prúd (prúd je daný max. dovoleným prúdom tranzistora) a možnosť regulovať výstupné napätie Ing. Jozef Klus 24
ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO stabilizátor U vo forme integrovaného obvodu (IO) výhody: jednoduché zapojenie veľká stabilita výstupného napätia (pri veľkých zmenách vstup. U, výstupného I a vplyvu teploty) možnosť odoberať veľký prúd regulovať výstupné napätie obsahujú poistku pre obmedzenie výstupného prúdu majú vnútornú ochranu proti prúdovému, prepäťovému a teplotnému preťaženiu Ing. Jozef Klus 25
ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO použitie napájanie moderných elektronických obvodov a zariadení (hlavne číslicová a výpočtová technika) ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO Integrované monolitické stabilizátory Bloková schéma vnútorného zapojenia monolitického stabilizátora MAA723 REF - teplotne kompenzovaný zdroj referenčného U ZOS - zosilňovač regulačnej odchýlky T16 - prúdová ochrana T15 - regulovaný koncový tranzistor Niektoré charakteristické údaje: Rozsah vstupného napätia: U1 = 9,5 40V Rozsah výstupného napätia: U2 = 2 37V Rozdiel medzi vst. a výst. napätím U2 - U1 = 3 38V Maximálny výstupný prúd: I2max = 150mA Referenčné napätie: Uref = 6,95 7,35V Ing. Jozef Klus 26
ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO Návrh stabilizátoru pre výstupné napätie U 2 = 2 7 V ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO Monolitické integrované výkonové stabilizátory trojsvorkové s pevným výstupným napätím zo súčasného sortimentu ako príklad Označenie Priem.hodnota výst. napätia [V] Rozsah hodnoty výst. napätia [V] Hodnota skrat. prúdu [A] Max.hodnota výst. prúdu [A] Max.hodnota strat. výkonu [W] MA 7805 5 4,4 5.2 0,75 2,2 15 MA 7812 12 11,5 12,5 0,35 2,2 15 MA 7815 15 14,4 15,6 0,23 2,2 15 MA 7824 24 23 25 0,15 2,2 15 Ing. Jozef Klus 27
ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO príklady zapojenia s pevným výstupným napätím pre nastaviteľné výstupné napätie U O ZAPOJENIE STABILIZÁTORA NAPÄTIA S IO Iný typ trojsvorkového stabilizátora s nastaviteľným napätím Ing. Jozef Klus 28
SPÍNANÉ SIEŤOVÉ ZDROJE SPÍNANÉ SIEŤOVÉ ZDROJE Oproti klasickým (lineárnym) zdrojom majú: vysokú účinnosť (až 90%) malú hmotnosť (iný transformátor) malé rozmery nevýhoda - pri ich činnosti vznikajú silné rušivé signály Spínané zdroje sa niekedy označujú aj ako impulzovo regulované zdroje Riadiace obvody sú tvorené integrovaným obvodom Ing. Jozef Klus 29
SPÍNANÉ SIEŤOVÉ ZDROJE Bloková schéma napájacieho zdroja so spojitou reguláciou F filtre; U usmerňovače; Sp spínač; TR transformátor; ZV spätná väzba SPÍNANÉ SIEŤOVÉ ZDROJE Princíp činnosti: str. sieťové U sa po prechode cez odrušovací filter F 0 usmerní usmerňovačom U 1 a filtrom F 1 sa vyhladí spínačom Sp sa premení na striedavé napätie vyššej frekvencie napr. 22kHz (obdĺžnikový priebeh U) transformátorom TR upraví na požadovanú veľkosť usmerňovačom U 2 sa usmerní a filtrom F 2 sa vyhladí Ing. Jozef Klus 30
SPÍNANÉ SIEŤOVÉ ZDROJE výstupné U sa stabilizuje ovplyvňovaním funkcie spínača cez obvod spätnej väzby ZV v impulznej forme pri odchýlke výstupného U sa zmenou šírky spínacieho impulzu zabezpečí stabilizácia výstupného napätia MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU Ing. Jozef Klus 31
MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU DC/DC meniče menia JS prúd na JS prúd s iným napätím alebo polaritou Typ meniča so striedavým medzistupňom blokujúci menič priepustný menič MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU Typ riadenia riadenie medzistupňa riadenie šírky impulzov riadenie kmitočtu impulzov Ing. Jozef Klus 32
MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU Menič JS prúdu s medzistupňom vstupné JS napätie U 1 je premenené meničom na striedavé U M a to je následne usmerňovačom usmernené na výstupné JS napätie U 2 aby bolo možné výstupné napätie regulovať používa sa riadený spínaný usmerňovač ak je potrebné galvanické oddelenie, použije sa oddeľovací transformátor MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU Regulátor JS prúdu menič bez medzistupňa ako spínací prvok sa používa tranzistor alebo tyristor ak je spínač zopnutý (tranzistor je otvorený), vedie prúd, ktorý preteká záťažou ak je rozpojený, prúd nepreteká stredná hodnota JS prúdu je regulovaná pomerom času zopnutého a rozopnutého stavu obvodu Ing. Jozef Klus 33
MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU Spôsoby riadenia regulátorov JS prúdu pri pulznom riadení spínacích regulátorov sú riadené šírkou impulzov (PWM), alebo zmenou kmitočtu impulzov (PFM) Pulzná šírková modulácia PWM Pulzná kmitočtová modulácia PFM MENIČE JEDNOSMERNÉHO PRÚDU na rovnakom princípe pracujú aj pevne nastavené neregulované meniče JS napätia (DC/DC meniče) používajú sa v zariadeniach, kde je potrebné napríklad z napätia +15 V získať napätie +5 V pre napájanie číslicových obvodov Ing. Jozef Klus 34
STRIEDAVÉ MENIČE STRIEDAVÉ MENIČE DC/AC Striedavé meniče menia JS prúd na striedavý prúd takto vyrobený str. prúd má rovnaké vlastnosti ako vo verejnej elektrickej sieti mení napr. JS prúd z batérie na striedavý (220 V, 50 Hz resp. iné hodnoty) výkon od 100 W 100kW Delia sa na: rotačné meniče (JS motor spojený so str. generátorom), už sa používajú málo statické meniče typický príklad: UPS, meniče solárnych článkov Ing. Jozef Klus 35
STRIEDAVÉ MENIČE DC/AC UPS jednotka prúdového zabezpečenia pri výpadku siete Princíp trojfázového meniča STRIEDAVÉ MENIČE AC/AC Striedavý menič premieňa striedavý prúd daných parametrov na striedavý prúd iných parametrov (napätie, frekvencia). Rozdelenie striedavých meničov: podľa počtu fáz jednofázové a trojfázové podľa spôsobu riadenia fázovo riadené a impulzovo riadené Ing. Jozef Klus 36
STRIEDAVÉ MENIČE AC/AC Jednofázový striedavý menič napätia odporová záťaž STRIEDAVÉ MENIČE AC/AC Trojfázové striedavé meniče napätia Ing. Jozef Klus 37
STRIEDAVÉ MENIČE AC/AC Použitie: riadenie výkonu elektrotepelných zariadení elektrické odporové pece tepelné spotrebiče v domácnosti STRIEDAVÉ MENIČE AC/AC riadenie svietivosti riadenie otáčok asynchrónnych motorov pohony čerpadiel, ventilátorov, motor domácich spotrebičov Ing. Jozef Klus 38