Usměrňovače a násobiče

Jednocestný usměrňovač

Nejjednodušší a nejlevnější usměrňovač. Obsahuje pouze jednu diodu (popř. filtrační kondenzátor).

Po usmernění se využije jen jedna půlvna sinusovky (jinak to ani jednou diodou nejde), což má tu nevýhodu, že je na výstupu takového usměrňovače je stejná frekvence jako na vstupu. Což znamená, že po vyfiltrování kondenzátorm a zatížení má takový zdroj poněkud velké zvlnění. To někdy ale vůbec nemusí vadit, pokud nemáme vysoké nároky na nízké zvlnění. Například VN v CRT je jednocestně usměrněno, ale v HiFi zesilovači by tento usměrňovač neuspěl.

Jednocestný usměrňovač

Na následujícím grafu jsou vidět čtyři průběhy na rozdílných místech usměrňovače a průběhy při různém zatížení.

Graf – průběhy napětí na jednocestném usměrňovači.

Průběhy napětí na jednocestném usměrňovači
  • Modrá – před usměrňovačem == 10Vac 50Hz
  • Zelená – za usměrňovačem (nezapojen filtrační kondenzátor) [hůře viditelný průběh]
  • Žlutá – filtrace 100uF kondenzátorem a zatížení 1kOhm odporem
  • Červená – filtrace 100uF kondenzátorem a zatížení 100Ohm odporem

Dvoucestný usmerňovač

Dvoucestný usmerňovač obsahuje o jednu diodu víc než jednocestný, tedy dvě diody a využívají se obě půlvlny sinusového signálu, na výstupu usměrňovače je tedy dvakrát vyšší frekvence než na vstupu. Díky vyšší frekvenci je, po vyfiltrování kondenzátorem a zatížení, zvlnění výstupního napětí menší než u jednocestného. Nevýhodou může být transformátor s vyvedeným středem a výhodou tu že má jen dvě diody → je na nich menší úbytek napětí než na čtyřech v můstku (zásadní věc při usměrňování malých napětí) a tedy i celkově menší výkonová ztráta jako usměrňovači.

Dvoucestný usměrňovač

Stejně jako u předchozího usměrňovače následuje graf se čtyřmi průběhy na různých místech a též i při zatížení.

Průběhy napětí na doucestném usměrňovači
  • Modrá – před usměrňovačem == 10Vac 50Hz
  • Zelená – za usměrňovačem (nezapojen filtrační kondenzátor)
  • Žlutá – filtrace 100uF kondenzátorem a zatížení 1kOhm odporem
  • Červená – filtrace 100uF kondenzátorem a zatížení 100Ohm odporem

Graetzův můstek

Tento usměrňovač vymyslel asi někdo s jménem Graetz a vymyslel ho tak, že jsou použity obě půlvlny sinusovky, je to tedy dvoucestný usměrňovač, a postačí k tomu jedno vinutí na trafu. Což je sice pěkné, že není potřeba dražšího trafa s vyvedeným středem, ale má to i své nevýhody: je tvořen čtyřmi diodami, na kterých je větší úbytek napětí, než na předchozím, dvoucestném, což může být problém při usměrňování malého napětí (ikdyž to se dá řešit Schottkama) a díky většímu úbytku je na něm i větší výkonová ztráta jako usměrňovači.

Gratzův můstek, můstkový usměrňovač

Graf je téměř stejný jako u předchozího dvoucestného usmerňovače (jen v napětí je rozdíl 0,7V).

Filtrace usměrněného napětí

Výše už jsem zmínil zvlnění a to, jak je ovlivněna typem usměrňovače, přesněji frekvencí (pro 50Hz zdroje VAC: 50Hz jednocestný, 100Hz dvoucestný a Graetzův můstek).

Jak je vidět na některém z grafů výše je zatížené výstupní napětí (žlutá a červená křivka) zvlněné a to je ono! Nás většinou zajímá rozdíl maximálního a minimálního napětí zdroje == napětí zvlnění.

Toto zvlnění ovlivňuje hlavně odebíraný proud, ale i frekvence usmerňovaného napětí, typ použitého usměrňovače a taky způsob filtrace výstupního napětí.

Sběrný kondenzátor

Jeden z typů filtrací usměrněného napětí: prostě tam nacpu jeden kondík. Jeho kapacitu mnoho bastlířů neřeší a dají tam nějaký ten „kýbl“ (čti: velký filtrační konenzátor), ale je zbytečné použít příliš velký a drahý kondenzátor, nebo vybrat moc malý a pak mít horší vlastnosti.

Následujícím vzorcem je možné spočítat kapacitu takového kondenzátoru.

C = I * T / Uzvl [F; A, s, V]
Vše je v základních jednotkách, Uzvl je zvlnění ve voltech, I je maximální odebíraný proud, T je perioda a C kapacita filtračního kondenzátoru.

RC filtr

Tento filtr poskytuje lepší filtraci, tedy i menší (lepší) zvlnění, než jen sběrná kapacita. Jak už z názvu vyplývá, je tvořen odporem a kapacitou a v podstatě tvoří integrační článek.

Je poměrně levný a malý a hodí se pro menší zatěžovací proudy. Činitel vyhlazení je kolem 10.

RC filtr

Tyto filtry je možné za sebe a vytvořit tak vícestupňový RC filtr, který bude mít logicky lepší vlastnosti. Činilitel vyhlazení takového vícestupňového filtru se rovná součinu činitele vyhlazení jednotlivých stupňů.

Činitel vyhlazení je údaj, který určuje kolikrát daný filtr sníží (zlepší) zvlnění usměrněného napětí a udává se v bezrozměrných jednotkách.

Pro tento filtr se v praxi počítá následujícím vztahem.

φv = mωCR
kde ‚m‘ je počet usmerňovacích cest

LC filtr

LC filtr je podobný jako RC, jen je místo rezistoru tlumivka, je tedy tvořen kapacitou a indukčností. Má větší učinnost než RC filtr a činitel vyhlazení se pohybuje v řádech několika desítek.

LC filtr

Při konstrukci tohoto filtru je potřeba dbát na to aby tlumivka nebyla ovlivňována magnetickým tokem z tranformátoru, protože by se v tlumivce indukovalo napětí o frekvenci sítě, což by filtr znehodnotilo. Dále je třeba u tlumivký použít jádro se vzduchovou mezerou, protože jinak by docházelo k přesycení. Samozřejmě je třeba i přizpůsobit drát vinutí vzhledem k odebíranému proudu.

Násobiče

Používájí se k násobení napětí, na úkor proudu, který se logicky zmenší.

Zdvojovač

Zdvojovač napětí

Dva jednocestné usměrňovače a každý nabíjí kondenzátor na 1*U, takže na obou kondenzátorech v sérii je 2*U.

Ztrojovač

Ztrojovač napětí

V jedné půlvně střídavého napětí se nabije přes D1 kondenzátor C1 na 1*U. V druhé půlvně je C1 (nabitý na 1*U) v sérii s trafem takže napětí, které nabíjí přes didodu D2 kondenzátor C2, je dojnásobné. V další půlvně je v sérii s trafem kondenzátor C2 (nabitý na 2*U) takže C3 se přes D3 nabije na 3*U.

Kaskádní násobič

Když už nestačí jen dvojení nebo ztrojení napětí, je možné poskládat kaskádu.

Kaskádní násobič napětí

Přes D1 se v jedné půlvně nabije C1 na 1*U. V další půlvně bude C1 v sérii s trafem → C2 se nabije na 2*U. A tak to jde dál a dál a dál.

C1 se nabíjí na 1*U a zbylé kondenzátory na 2*U! Na výstupu OUT1 je tedy liché násobení (ve schématu výše je to 3×) a na výstupu OUT2 je to sudé násobení (tady 4×).

Takto lze poskládat teroreticky nekonečně dlouhý násobič…

Násobič kapacity

Celkem nedoceněné zapojení…

Násobič kapacity

V postatě se filtruje jen bázový proud který je β krát menší než koletorový, k filtraci tedy stačí menší kondenzátor. Stejně je ale potřeba použít sběrnou kapacitu, ikdyž o něco menší.

Zapojení vlevo se v praxi nepoužívá. Zapojení vpravo je doplněno i o stabilizátor, odpory je nutné volit tak, aby měla dost proudu zenerka i báze tranzistoru.