Blokové schéma síťového zdroje

Elektrická zařízení, která nemohou být napájena přímým síťovým napětím, to je 230 V/50 Hz, z důvodů technických či bezpečnostních se napájí tzv. napájecími zdroji, které mají výstupní napětí snížené, popř. usměrněné a vyhlazené.

Blokové schéma klasického napájecího zdroje

 

Obr. 1: Blokové schéma klasického napájecího zdroje

Konstrukce jednotlivých bloků napájecích zdrojů je v praxi různá podle typu a zaměření. Podle použití jsou na kvalitu bloků kladeny různě přísné požadavky, např. z hlediska zvlnění výstupního stejnosměrného napětí, z hlediska velikosti odebíraných proudů, nebo z hlediska odolnosti proti přetížení. Napájecí zdroje mohou dodávat několik různých napětí, roli mohou hrát také rozměry, mechanická konstrukce či problematika odvodu tepla, vznikajícího činností zdrojů. Vždy záleží na konstruktérovi či uživateli, aby na základě požadavků vybral vhodný typ jednotlivých bloků. V praxi se používají také síťové rozvody o jiném kmitočtu než 50 Hz.

Síťový transformátor

Transformátor je netočivý elektrický stroj. Úkolem síťového transformátoru je změnit amplitudu síťového harmonického napětí (zpravidla snížit) a galvanicky oddělit další obvody napájecího zdroje od síťového rozvodu. Výstupem transformátoru je harmonické napětí o stejném kmitočtu jako na jeho vstupu, avšak s jinou amplitudou. Kromě transformace napětí a proudů mohou síťové transformátory plnit ještě další úkoly, např. měnit počet fází apod. Vyrábějí se jako jednofázové a třífázové. Transformace napětí a proudů souvisí s požadavkem na hospodárný přenos výkonu. Ze vstupní strany, primárního vinutí je tedy síťový transformátor zapojen do síťového rozvodu, na straně výstupní, sekundární, je pak zatížen nejčastěji obvodem usměrňovače. Konkrétní konstrukční uspořádání obou vinutí může být v praxi různé, např. cívky mohou být vinuty jedna přes druhou. Počet výstupních vinutí může být také různý podle požadavků.

Obr. 2: Princip síťového transformátoru

Obr. 3: Síťový transformátor

Obr. 4: Toroidní transformátor

• Grafické značky na transformátorech dle IEC 60417

Obr. 5: Grafické značky na transformátorech

Usměrňovač

Usměrňovač mění střídavé napětí transformátoru na stejnosměrné. V praxi je však výstupní napětí usměrňovače zvlněné. Snížit toto zvlnění na minimum a zajistit stabilitu výstupního napětí či proudu vůči změnám různých veličin, parametrů (zátěž) či vlivů je úkolem stabilizátoru (regulátoru). Z hlediska spektra signálu jde celkově o přeměnu jedné harmonické složky síťového napětí na stejnosměrnou složku (střední hodnotu).

Usměrňovače bývají zařazovány za síťový napájecí transformátor.

• Definice

Usměrňovačem rozumíme obvod, jehož úkolem je usměrnit signál, nejčastěji harmonický, tedy přeměnit jej na signál stejnosměrný, konstantní.

• Jednofázový usměrňovač s odporovou zátěží

Jde o nejjednodušší typ usměrňovače. Obsahuje jen jeden usměrňovací prvek, zpravidla diodu, zátěží je rezistor.

 

 

 

 

Obr. 6: Jednofázový usměrňovač s odporovou zátěží

Rozdíl napětí U_1max a U_2max je způsoben úbytkem napětí na diodě U_D.

Obr. 7: Časové průběhy na výstupu jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží

• Třífázový usměrňovač s odporovou zátěží

Obr. 8: Třífázový trojpulzní usměrňovač s odporovou zátěží

Obr. 9: Časové průběhy na výstupu třífázového trojpulzního usměrňovače s odporovou zátěží

V praxi je u třífázových soustav častěji používána varianta popsaného usměrňovače, tzv. šestipulzní usměrňovač v můstkovém zapojení. Obsahuje šest diod a odporovou zátěž. Předností je opět větší střední hodnota usměrněného napětí a poloviční zvlnění.

• Jednofázový usměrňovač s kapacitním charakterem zátěže

Obr. 10: Jednofázový usměrňovač s kapacitním charakterem zátěže

 

Z jednocestných usměrňovačů je nepoužívanějším typem. Oproti variantě s odporovou zátěží se liší jen paralelně připojeným kapacitorem. Časový průběh výstupního napětí je složen ze dvou základních úseků. V době, kdy pro vstupní napětí platí u₁>u_D + u₂ (dioda je polarizována propustně), napětí na výstupu roste, neboť je nabíjen kapacitor. Po tuto dobu také protéká diodou proud. Mimo uvedenou dobu je dioda polarizována závěrně, proud diodou neprotéká a kapacitor se vybíjí do zátěže R_Z. Výstupní napětí exponenciálně klesá. Jeho průběh je tedy zvlněný se střední hodnotou U_2AV a zvlněním ΔU₂ .

Důraz klademe především na tyto parametry:

- zvlnění stejnosměrného výstupního napětí

- napěťové namáhání diody

- velikost propustného proudu diodou (maximum při zapnutí a při ustáleném stavu)

- napětí na zátěži.

Obr. 11: Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače s kapacitním charakterem zátěže

Zvlnění výstupního napětí hodnotíme tzv. činitelem zvlnění:

Ideální usměrňovač by měl činitel zvlnění roven nule (nulové zvlnění). Tento činitel lze změřit a je jedním z kritérií pro posouzení rozdílů mezi usměrňovači. Velikost zvlnění závisí zejména na velikosti odporu zátěže, kmitočtu vstupního napětí a velikosti kapacity C, ale také na vlastnostech usměrňovacích diod (dynamický odpor) a na velikosti odporu sekundárního vinutí transformátoru.

Usměrňovací dioda je při provozu namáhána jednak při zapnutí usměrňovače (vybitý kapacitor a následně velký proudový impulz), a v ustáleném stavu pak zejména v závěrném směru, kdy na katodu působí součet vstupního napětí a napětí nabitého kapacitoru. Na diodě tak může být až dvojnásobek amplitudy vstupu 2U_1max.

Při závěrné polarizaci diody je na katodě napětí přibližně 2U_2AV.

Usměrňovací diodu vybíráme z katalogu tak, aby pro její závěrné napětí platilo: U_R ≥ 2U_2AV.

V praxi počítáme s jistou rezervou, cca 20% (kolísání síťového napětí apod.).

Při zapnutí usměrňovače je první proudový pulz největší. V obvodu vzniká přechodný děj. Je třeba tedy počítat s tím, že při prvním zapnutí (vybitý kapacitor chovající se jako zkrat) prochází maximální proud. Jeho velikost je omezena jen odporem diody a odporem sekundárního vinutí transformátoru. Dioda tedy musí tento proud vydržet. Někdy je v katalogu výrobce doporučeno zapojit ochranný rezistor.

V průběhu ustáleného stavu je maximální velikost proudových pulzů diodou stejná. Tato velikost závisí především na velikosti kapacity . Při velkých hodnotách kapacity tečou proudové pulzy krátkou dobu a jejich velikost je větší. V praxi nás zajímá stejnosměrná (střední) hodnota proudu do zátěže I_RzAV . Tento proud ma také zvlněný charakter. Při volbě maxima střední hodnoty propustného proudu diodou musíme zohlednit I_Fmax (maximální povolený proud daný výrobcem), který nesmí být překročen:
(I_{F max} > I_RzAV).

Velikost kapacity filtračního kapacitoru výrazně ovlivňuje časové průběhy napětí a proudů. V praxi jsme omezeni z obou stran. Při volbě příliš velké kapacity bude sice výstupní napětí dobře vyhlazené s malým zvlněním, avšak je zde nebezpečí velkých proudových pulzů při zapnutí. Naopak, volba příliš malé hodnoty kapacity způsobí velké zvlnění napětí na zátěži. Je tedy vhodné volit kapacitor takové kapacity, abychom se nalézali někde mezi těmito krajnostmi. Pokud nemáme k dispozici potřebné grafy, lze navrhnout požadovanou kapacitu podle empirického vztahu:

Je předpokládán síťový kmitočet 50Hz.

• Jednofázový usměrňovač s diferenčním transformátorem

V praxi se dvoucestné usměrňovače používají téměř výhradně v kombinaci s filtračním kapacitorem nebo tlumivkou. Snaha po dalším zvýšení střední hodnoty výstupního napětí a poklesu zvlnění vedla k vývoji následujícího obvodu:

Obr. 12: Jednofázový usměrňovač s diferenčním transformátorem

Pro správnou činnost obvodu je třeba transformátoru s odbočkou, který se chová jako zdroj dvou harmonických průběhů o stejném kmitočtu a amplitudě, ale se vzájemným fázovým posuvem . Sekundární vinutí musí být tak realizováno co nejpřesněji. Diody vedou proud střídavě. Po dobu, kdy žádná z diod není polarizována propustně, napětí na výstupu klesá (vybíjení kapacitoru do zátěže). Výstupní napětí má opět zvlněný průběh, avšak s polovičním zvlněním a vyšší střední hodnotou než u jednocestného usměrňovače.

Výhody: další snížení zvlnění, vyšší střední hodnota výstupního napětí, každou diodou teče jen polovina proudu do zátěže, poloviční kapacita kondenzátoru pro stejné zvlnění, sekundární vinutí transformátoru není přesycováno stejnosměrnou složkou proudu.

Nevýhody: potřeba dvou diod, nutnost přesného sekundárního vinutí transformátoru s odbočkou.

Obr. 13: Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače s diferenčním transformátorem

• Jednofázový usměrňovač v můstkovém zapojení

Tento usměrňovač odstraňuje základní nevýhodu předchozího typu, a to nutnost dvou primárních napětí v protifázi. Často bývá nazýván Graetzovým můstkem.

Během kladné půlvlny vstupního harmonického napětí jsou propustně polarizovány diody D1 a D3. Proud tedy teče přes diodu D1 do zátěže a přes D3 zpět. V průběhu záporné půlperiody jsou pak otevřeny diody D2 a D4. V každé půlperiodě vstupního napětí jsou  tedy v činnosti dvě diody. Znamená to, že jednou diodou teče polovina výstupního proudu. Časové průběhy proudu diodami D3 a D4 jsou shodné s proudy D1 a D2. Průběh výstupního napětí je shodný s předchozím typem usměrňovače.

Obr. 14: Jednofázový usměrňovač v můstkovém zapojení

Výhody: potřeba jen jednoho zdroje vstupního napětí (sekundár transformátoru), jinak podobné jako u předchozího typu.

Nevýhody: potřeba čtyř diod (závěrné napětí každé diody může být poloviční – levnější diody), někdy může být nevýhodou to, že vstupní a výstupní svorky nemají společný vodič (společnou zem).

Obr. 15: Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače v můstkovém zapojení

Dosud probrané typy usměrňovačů využívají usměrňujících vlastností neřízeného usměrňovače, neboť velikost stejnosměrné složky nelze za provozu řídit. Naproti tomu existuje celá řada zapojení, kde střední hodnotu výstupního napětí řídit lze. Tyto obvody nazýváme řízenými usměrňovači. Jejich základem bývají zpravidla tyristory či výkonové tranzistory.

 

Filtr

Usměrněné napětí může vykazovat i při použití kondenzátoru, který je připojen paralelně k zátěži, tzv. sběracího kondenzátoru, větší hodnotu zvlnění, než je požadovaná v napájených elektronických obvodech. Pro malé proudy se používají filtry RC, neboť na rezistoru by při větších proudech vznikl neúměrný úbytek napětí. Pro větší proudy se používají LC filtry. Tlumivka L přispívá ke snížení zvlnění napájecího napětí a úbytek napětí na ohmickém odporu tlumivky je menší. Větší filtrační účinek než pasivní filtry mají filtry aktivní. Při menších rozměrech mají mnohem větší filtrační účinek.

Obr. 16: Pasivní vyhlazovací filtry pro napájecí zdroje

 

Obr. 17: Aktivní vyhlazovací filtr pro napájecí zdroje

 

Stabilizátor napětí

Udržuje stálé napětí na zátěži při kolísajícím napětí zdroje nebo při změnách zatěžovacího proudu.

Podle připojení regulačního prvku rozdělujeme stabilizátory na paralelní a sériové.

Vlastnosti stabilizátoru charakterizuje činitel stabilizace S, který vyjadřuje, kolikrát zmenší stabilizátor poměrné kolísání napětí na svém výstupu při konstantní zátěži ve srovnání s poměrným kolísáním vstupního napětí.

Podle provedení dělíme stabilizátory na parametrické, zpětnovazební a Integrované.

 

Zdroje

• OTÝPKA, Miloslav. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CDwQFjAG&url=http%3A%2F%2Fcoptel.coptkm.cz%2Freposit.php%3Faction%3D0%26id%3D21819%26instance%3D2&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNFX3N6-26UJfBK9azhcGEPaI-vXkw&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_05_ Stabilizátory. Přerov, 2013.
• Autor neznámý. Transformátory [online]. [cit. 2014-11-09]. Dostupné z: http://user.unob.cz/zaplatilek/ZEL/Tema10.htm
• Autor neznámý. Napájecí zdroje [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Autor neznámý. Pasivní součástky [online]. [cit. 2014-08-11]. Dostupné z: http://rutar.wz.cz/1enn/0.pdf

Obrázky

• Obr. 1: OTÝPKA, Miloslav. Blokové schéma klasického napájecího zdroje. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CDwQFjAG&url=http%3A%2F%2Fcoptel.coptkm.cz%2Freposit.php%3Faction%3D0%26id%3D21819%26instance%3D2&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNFX3N6-26UJfBK9azhcGEPaI-vXkw&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 2:  Autor neznámý. COPTEL. Princip síťového transformátoru. [online]. [cit. 2014-11-09]. Dostupné z: http://user.unob.cz/zaplatilek/ZEL/Tema10.htm
• Obr. 3: OTÝPKA, Miloslav. Síťový transformátor. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CDwQFjAG&url=http%3A%2F%2Fcoptel.coptkm.cz%2Freposit.php%3Faction%3D0%26id%3D21819%26instance%3D2&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNFX3N6-26UJfBK9azhcGEPaI-vXkw&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 4: OTÝPKA, Miloslav. Toroidní transformátor. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CDwQFjAG&url=http%3A%2F%2Fcoptel.coptkm.cz%2Freposit.php%3Faction%3D0%26id%3D21819%26instance%3D2&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNFX3N6-26UJfBK9azhcGEPaI-vXkw&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 5: OTÝPKA, Miloslav. Grafické značky na transformátorech. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CDwQFjAG&url=http%3A%2F%2Fcoptel.coptkm.cz%2Freposit.php%3Faction%3D0%26id%3D21819%26instance%3D2&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNFX3N6-26UJfBK9azhcGEPaI-vXkw&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 6:  Autor neznámý. Jednofázový usměrňovač s odporovou zátěží. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 7:  Autor neznámý. Časové průběhy na výstupu jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží.  [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z:  http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 8:  Autor neznámý. Třífázový trojpulzní usměrňovač s odporovou zátěží. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 9:  Autor neznámý. Časové průběhy na výstupu třífázového trojpulzního usměrňovače s odporovou zátěží. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 10:  Autor neznámý. Jednofázový usměrňovač s kapacitním charakterem zátěže [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 11:  Autor neznámý. Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače s kapacitním charakterem zátěže. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja  
• Obr. 12:  Autor neznámý. Jednofázový usměrňovač s diferenčním transformátorem [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 13:  Autor neznámý. Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače s diferenčním transformátorem  [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 14:  Autor neznámý. Jednofázový usměrňovač v můstkovém zapojení [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 15:  Autor neznámý. Časové průběhy na výstupu jednofázového usměrňovače v můstkovém zapojení. [online]. [cit. 2014-08-12]. Dostupné z: http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CEIQFjAH&url=http%3A%2F%2Fuser.unob.cz%2Fzaplatilek%2FObecne%2FSkripta_napajeci%2520zdroje%2F%25C4%258C%25C3%25A1st1.doc&ei=8enpU9_qLqXE7Ab1-oHADg&usg=AFQjCNEqDlPfYDVLEDyOK3i2BxVfpNXcHA&bvm=bv.72676100,d.ZGU&cad=rja
• Obr. 16: BRINDL, Pavel. Pasivní vyhlazovací filtry pro napájecí zdroje. Z archivu autora.
• Obr. 17: BRINDL, Pavel. Aktivní vyhlazovací filtr pro napájecí zdroje. Z archivu autora.