Zdroje napětí (I)

Klasické napájecí zdroje

Tyto zdroje nejprve transformují síťové napětí na potřebnou menší hodnotu. Dále jej usměrní, filtrují a stabilizují.

Obrázek č. 1

Obrázek č. 1
a/ Blokové schéma klasického napájecího zdroje
b/ Princip transformátoru
c/ Zdroj symetrického napětí
d/ Dvoucestný usměrňovač
e/ Jednocestný usměrňovač, průběh výstupního napětí bez filtračního kondenzátoru a s filtračním kondenzátorem (nahoře)
f/ Zatěžovací charakteristika stabilizovaného zdroje s proudovou pojistkou

K usměrňování nejčastěji používáme můstkový (Gratzův) usměrňovač (obr. 1a, čtveřice diod). Vyrábí se také jako jedna součástka. Na jeho výstupu je dvoucestně usměrněné napětí (záporná půlvlna se překlopí do kladné poloroviny, kmitočet zvlnění je 100 Hz.) Stejné vlastnosti má i dvoucestný usměrňovač (obr.1d). Používá se méně často, dvojí vinutí na transformátoru je zbytečně nákladné. Na obr. 1c je zdroj symetrického (kladného i záporného) napětí s můstkovým usměrňovačem.

Jednocestný usměrňovač používáme jen vyjímečně v nenáročných aplikacích a pro velmi malý odběr proudu. Do zátěže z něj jde proud pouze v jedné půlvlně napájecího napětí. Proto je výstupní napětí značně zvlněné, kmitočet zvlnění je 50 Hz.

Výstupní napětí z usměrňovače filtruje elektrolytický filtrační kondenzátor. Slouží jako zásoba energie při poklesu střídavého napětí k nule. Čím větší je jeho kapacita, tím lépe je výstupní napětí vyhlazené. Čím větší proud ze zdroje odebíráme, tím větší musí být tato kapacita. Doporučuje se ji volit 1 až 2 mF na každý ampér odebíraného proudu.

Napětí na sekundárním vinutí transformátoru udáváme, jak je obvyklé, v efektivní hodnotě. Filtrační kondenzátor se nabíjí na maximální hodnotu tohoto napětí, které je √2 krát větší. Od tohoto napětí odečteme předpokládaný úbytek napětí na usměrňovači. U můstkového usměrňovače pracují vždy 2 diody v sérii, na každé diodě se ztrácí zhruba 0,7 V (viz VA charakteristika diody).

Příklad: Na sekundárním vinutí transformátoru jsme naměřili 14 V. Jaké bude napětí na filtračním kondenzátoru? (Předpokládáme, že zdroj je zatížen proudem desítek až stovek miliampér)

U_C = 14. √2 - 1,4 = 18,6 V

Transformátor

Transformátor má dvě vinutí navinutá na společném jádře. Prochází-li vinutím L₁ proud, vytváří magnetické pole. Jeho magnetický tok Φ ve vinutí L₂ indukuje napětí (viz obr. 1b). Toto napětí je přímo úměrné počtu jeho závitů.

Vinutí, do kterého proud přichází, nazýváme primární vinutí. Vinutí, ze kterého proud odebíráme, nazýváme sekundární vinutí.

Platí, že: U₂/U₁ = N₂/N₁

N1	počet závitů primárního vinutí
N2	počet závitů sekundárního vinutí
U1	napětí na primárním vinutí
U2	napětí na sekundárním vinutí

Dále platí zákon zachování energie: I₁U₁ = I₂U₂

I1	proud primárním vinutím
I2	proud sekundárním vinutím

Výše uvedený vztah platí pro bezeztrátový transformátor. (U skutečného transformátoru závisí ztráty na jeho velikosti, velké transformátory mají účinnost max. 98 %, ty nejmenší (1 W) okolo 60 - 70 %.

Transformátory slouží k přeměně velikosti střídavého napětí (stejnosměrné napětí transformovat nelze). Jsou nepostradatelné při rozvodu elektrické energie. Na větší vzdálenosti se elektrická energie vede ve formě vysokého napětí (220 kV, 110 kV, 22 kV). Proud je potom menší, a tím i ztráty na vedení. Vysoké napětí je dále transformováno na 230 V. Chceme-li z tohoto napětí získat menší, musíme opět použít transformátor. Ten zároveň slouží ke galvanickému oddělení spotřebičů od sítě, což zajišťuje větší bezpečnost obsluhy.

Transformátor je nejlépe koupit hotový. Máme tak zajištěno dodržení bezpečnostních předpisů (zkušební napětí mezi primárním a sekundárním vinutím je 2,5 nebo 4 kV). Výstupní proud a napětí musí odpovídat našim požadavkům.

Při případném vlastním návrhu transformátoru postupujeme takto:

1) Určíme požadovaný výkon

P = U2 . I2

2) Zvolíme průřez jádra

S = √P [cm2, W]

3) Vypočítáme počet závitů na jeden volt. n = 45/ S. Potom:

N1 = n.U1    N2 = n.U2

4) Zvolíme odpovídající průměr vodičů primárního vinutí d1 a sekundárního vinutí d2, tak aby proudová hustota:

5) Vypočítáme plochu všech závitů primárního a sekundárního vinutí

Určení vlastností neznámého transformátoru

Životnost transformátorů je výrazně delší než morální a fyzická životnost většiny elektrotechnických zařízení. Při likvidaci starých přístrojů si je většinou proto necháváme k případnému dalšímu použití.

Chceme-li použít v nějaké aplikaci transformátor, jehož vlastnosti přesně neznáme, doporučuji následující postup:

1. Prohlédnout si transformátor, zda obsahuje identifikační štítek s popisem svorek, připojených napětí, nebo počtů závitů jednotlivých vinutí a jejich průměrů. V případě, že nikoliv, musíme jeho parametry určit sami následujícím způsobem.
   
   
2. Odhadneme výkon podle průřezu jádra S_jádra (cm²) = √P, zda je transformátor vhodný pro předpokládané použití.
   
   
3. Změříme ohmetrem, které vývody k sobě patří. S největší pravděpodobností vinutí s největším odporem je primární vinutí, obvykle je vespod cívky. (Toto nemusí platit u velmi starých lampových zařízení, kde na sekundárním vinutí bývalo až 300 V, jeho odpor byl srovnatelný s primárním vinutím). Pokud je sekundární vinutí dimenzováno na malé napětí, může být jeho odpor téměř rovný zkratu.
   
   
4. K vývodům předpokládaného primárního vinutí připojíme opatrně síťové napětí. Doporučuji použít síťovou šňůru (ne 2 vodiče s banánky) a přívody oddizolovat bužírkou nebo izolační páskou proti náhodnému dotyku.
   
   
5. Necháme transformátor chvíli zapnutý. Kontrolujeme, jestli se jádro nebo vinutí nezahřívá. Pokud ano, není transformátor pravděpodobně dimenzován na síťové napětí (viz obr. 2b). Pravděpodobnost mezizávitového zkratu (který se rovněž projevuje nadměrným zahříváním) je minimální u profesionálně navinutých transformátorů, které nebyly mechanicky poškozeny.
   
   
6. Změříme napětí naprázdno na sekundárních vinutích transformátoru. Má-li transformátor více sekundárních vinutí, můžeme vhodným spojením vinutí získat buď součet nebo rozdíl jejich napětí. (Zapojíme-li transformátor tak, abychom získali rozdíl obou napětí, zvětší se oproti běžnému zapojení s jedním vinutím vnitřní odpor transformátoru).
   
   
7. Zatížíme sekundární vinutí transformátoru vhodným rezistorem. Změříme pokles napětí. Vypočítáme vnitřní odpor transformátoru. Odhadneme, zda je vhodný pro naši aplikaci, zda je schopen dávat potřebný proud při malém poklesu napětí. Při velkém poklesu napětí rostou ztráty na transformátoru a nelze jej použít.