Usměrňovače násobiče napětí

Usměrňovač je zařízení pro převod střídavého proudu na stejnosměrný proud, jakož i pro stabilizaci a regulaci usměrněného napětí.

V obvodu na obr. 1 nemá transformátor zvyšující vinutí pro dvojnásobné napětí se středním bodem, ale současně s celovlnným usměrněním usměrňovač zdvojnásobuje napětí.

V první poloperiodě se přes diodu D1, na které je napětí v propustném směru, nabíjí kondenzátor C1 přibližně na amplitudové napětí sekundárního vinutí. Ve druhé poloperiodě bude na diodě D2 napětí v propustném směru a přes ni se kondenzátor C2 nabíjí přesně stejným způsobem.

Kondenzátory C1 a C2 jsou zapojeny sériově a celkové napětí na nich se přibližně rovná dvojnásobnému amplitudovému napětí transformátoru. Na každé diodě bude stejné maximální zpětné napětí. Současně s nabíjením kondenzátorů C1 a C2 dochází k jejich vybíjení přes zátěž R, v důsledku čehož napětí na kondenzátorech klesá.

Čím menší je odpor zátěže R, tj. čím větší je zatěžovací proud a čím menší je kapacita kondenzátorů C1 a C2, tím rychleji se vybíjejí a tím nižší je na nich napětí. Proto je prakticky nemožné zdvojnásobit napětí. S kapacitou kondenzátoru alespoň 10 μF a zatěžovacím proudem nejvýše 100 mA můžete získat 1,7krát nebo dokonce 1,9krát větší napětí, než jaké dává transformátor.

Obr. 1. Usměrňovací obvody se zdvojnásobením (a) a čtyřnásobením (b) napětí

Výhodou obvodu je, že kondenzátory vyhlazují pulzace usměrněného proudu.

Je možné realizovat usměrňovací obvody s libovolným počtem násobení napětí. Obr. 1, b znázorňuje obvod, který čtyřnásobně zvyšuje napětí a má čtyři diody a čtyři kondenzátory. V lichých půlperiodách se kondenzátor C1 nabíjí přes diodu D1 téměř na hodnotu amplitudy napětí transformátoru Em. Nabitý kondenzátor C1 sám o sobě slouží jako zdroj.

Proto se v sudých půlperiodách, během kterých se obrátí polarita napětí transformátoru, kondenzátor C2 nabíjí přes diodu D2 přibližně na dvojnásobek napětí 2Eт. Toto napětí je maximální hodnotou celkového napětí sériově zapojeného transformátoru a kondenzátoru C1.

Podobně se kondenzátor C3 nabíjí v lichých půlperiodách přes diodu D3 rovněž na napětí 2Et, což je celkové napětí sériově zapojených C1, transformátoru a C2 (je třeba vzít v úvahu, že napětí na C1 a C2 působí vůči sobě).

Dalším podobným uvažováním zjistíme, že kondenzátor C4 se bude nabíjet v sudých půlperiodách přes diodu D4, opět na napětí 2Et, což je součet napětí na C1, C3, transformátoru a C2. Kondenzátory se samozřejmě nabíjejí na uvedená napětí postupně během několika půlperiod po zapnutí usměrňovače. Výsledkem je, že z kondenzátorů C1 a C4 lze získat čtyřnásobné napětí 4Et.

Zároveň z kondenzátorů C1 a C3 je možné získat trojnásobné napětí 1Et. Pokud do obvodu přidáme další kondenzátory a diody zapojené podle stejného principu, pak z řady kondenzátorů C3, C5, C3 atd. získáme napětí zvýšené lichým počtem krát (5, 7, 2 atd.) a z řady kondenzátorů C4, C6, C2 atd. bude možné získat napětí zvýšené sudým počtem krát (4, 6, XNUMX atd.).

Po zapnutí zátěže se kondenzátory vybíjejí a napětí na nich klesá. Čím nižší je odpor zátěže, tím rychleji se kondenzátory vybíjejí a tím nižší je na nich napětí. Pokud tedy odpor zátěže není dostatečně vysoký, stává se použití takových obvodů iracionálním.

V praxi takové obvody poskytují efektivní násobení napětí pouze při malých zatěžovacích proudech. Samozřejmě je možné dosáhnout vyšších proudů, pokud se zvýší kapacita kondenzátorů. Výhodou zobrazeného obvodu je možnost získání vysokých napětí bez vysokonapěťového transformátoru. Kondenzátory navíc musí mít pracovní napětí pouze 2Et, bez ohledu na to, kolikrát je napětí vynásobeno, a každá dioda pracuje s maximálním zpětným napětím pouze 2Et.

Diody se vybírají na základě jejich hlavních parametrů: maximálního usměrněného proudu I0mах a maximálního zpětného napětí Uобр.прем. Pokud je na vstupu filtru kondenzátor, efektivní hodnota napětí sekundárního vinutí transformátoru U2 ve všech obvodech usměrňovače, s výjimkou můstkového obvodu, by neměla překročit — 35 % hodnoty Uобр.прем. V obvodu s dvěma půlperiodami a nulovým bodem se napětí U2 vztahuje na jednu polovinu vinutí. V můstkovém obvodu by y nemělo překročit 70 % hodnoty Uобр.прем.

Pro usměrnění vyšších napětí se sériově zapojuje odpovídající počet diod.

Při sériovém zapojení germaniových a křemíkových diod je nutné je bočnit rezistory se stejnými odpory řádově desítek nebo stovek kiloohmů (obr. 2). Pokud se tak nestane, pak se v důsledku značného rozptylu zpětného odporu diod zpětné napětí mezi nimi rozloží nerovnoměrně a je možné jejich průrazení. A za přítomnosti bočních rezistorů se zpětné napětí mezi diody rozdělí prakticky rovnoměrně.

Paralelní zapojení diod za účelem získání vysokých proudů je nežádoucí, protože v důsledku rozptylu parametrů a charakteristik jednotlivých diod budou nerovnoměrně zatíženy proudem. Pro vyrovnání proudů se v tomto případě sériově zapojují vyrovnávací rezistory s jednotlivými diodami, jejichž odpor se volí empiricky.

U usměrňovacích transformátorů má primární vinutí obvykle několik sekcí, které lze přepnout na síťové napětí 110, 127 a 220 V.

Obr. 2. Sériové zapojení polovodičových diod

Obr. 3. Metody regulace napětí

Sekundární vinutí se vypočítává pro požadované napětí. V obvodu s dvěma půlperiodami má středový vývod. Pro snížení rušení ze sítě v usměrňovacích transformátorech, které napájejí přijímače, se mezi primární a sekundární vinutí umisťuje stínicí vinutí, jehož jeden konec je připojen ke společnému mínusu.

Filtrační tlumivky mají obvykle v jádře diamagnetický otvor, který eliminuje magnetické nasycení, jež způsobuje pokles indukčnosti. Odpor vinutí tlumivky vůči stejnosměrnému proudu je obvykle několik desítek nebo stovek ohmů. Část usměrněného napětí na něm a na zvyšujícím vinutí transformátoru klesá.

V obvodu síťového vinutí je instalován spínač a pojistka, které v případě nehody automaticky vypnou usměrňovač. Pokud je například filtrační kondenzátor přerušen, dojde ke zkratu v obvodu usměrněného proudu. Proud v primárním vinutí se výrazně zvýší oproti normálu a pojistka se roztaví. Bez ní může transformátor shořet. Navíc je takový zkrat velmi nebezpečný pro diodu, která se může zničit přehřátím v důsledku příliš velkého proudu.

Někdy je primární vinutí transformátoru vyrobeno s vývody pro různá napětí, například 190, 200, 210, 220 a 230 V, aby bylo možné pomocí spínače udržovat napětí usměrňovače přibližně konstantní při kolísání síťového napětí (obr. 3, a). Další metodou regulace je zařazení regulačního autotransformátoru, který má vývody pro různá napětí a spínač.

Zapnutí regulačního autotransformátoru umožňuje při poklesu síťového napětí dodávat normální napětí do primárního vinutí výkonového transformátoru (obr. 3, b). Vyrábějí se také speciální regulační autotransformátory pro síťové napětí 127 a 220 V, které umožňují plynulou regulaci napětí od 0 do 250 V.

Při práci s usměrňovačem, zejména pokud produkuje vysoké napětí, je nutné dbát bezpečnostních opatření, protože osoba zasažená napětím několika stovek voltů je život ohrožující.

Obr. 4. Zapnutí děliče pro tři různá napětí

Všechny části usměrňovače, které jsou pod vysokým napětím, musí být chráněny před náhodným dotykem. Nikdy se nedotýkejte částí pracujícího usměrňovače. Veškeré připojení k obvodu usměrňovače nebo změny v něm se provádějí při vypnutém usměrňovači a vybitých filtračních kondenzátorech. Je užitečné zapnout neonovou lampu na usměrněné napětí jako indikátor (ukazatel) vysokého napětí. Její záře signalizuje přítomnost vysokého napětí.

Neonová lampa se zapíná přes omezovací rezistor s odporem několika desítek kiloohmů. Přítomnost konstantní zátěže v podobě takové lampy chrání filtrační kondenzátory před průrazem při přepětí. K tomu může dojít, pokud usměrňovač běží naprázdno. Při absenci zátěže nedochází uvnitř usměrňovače k poklesu napětí, a proto bude napětí na filtračních kondenzátorech maximální.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti:

Vyberte si vhodný formát a témata!