Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Stabilizátory a měniče napětí a proudu OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-009

Stabilizátory napětí Stabilizátory napětí udržují stálé napětí na zátěži při: kolísajícím napětí zdroje nebo při změnách zatěžovacího proudu. Zapojují se mezi napájecí zdroj a zátěž. Podle provedeni a své činnosti se rozlišují stabilizátory: parametrické, zpětnovazební.

Stabilizátory napětí Parametrické stabilizátory využívají ke své činnosti voltampérovou charakteristiku takových nelineárních prvků, u kterých při velké změně proudu nastává jen malá změna napětí (doutnavky, stabilizační diody). Zpětnovazební stabilizátory obsahují řídicí prvek (tranzistor), který je řízen odchylkami mezi referenčním a výstupním napětím.

Stabilizátory napětí Vlastnosti stabilizátoru napětí charakterizují tyto veličiny: 1. Činitel stabilizace K, který vyjadřuje, kolikrát zmenší stabilizátor poměrné kolísání napětí na svém výstupu při konstantní zátěži ve srovnání s poměrným kolísáním vstupního napětí, kde , RZ = konst

Stabilizátory napětí 2. Vnitřní odpor stabilizátoru Rist, pro který platí , U1 = konst

Parametrické stabilizátory napětí Zapojení stabilizátoru napětí se stabilizační (Zenerovou) diodou je na obr.1. Stabilizační dioda je polarizována ve zpětném směru a je připojena paralelně k zatěžovacímu odporu RZ. Obr.1 Parametrický stabilizátor napětí se stabilizační diodou a) schéma zapojení b) voltampérová charakteristika diody ve zpětném směru

Parametrické stabilizátory napětí Mezi tímto obvodem a stejnosměrným zdrojem je zapojen sériový rezistor RS. Průsečík voltampérové charakteristiky tohoto rezistoru se závěrnou charakteristikou diody určuje pracovní bod P stabilizátoru. Při změně napětí U1 o hodnotu U1 se pracovní bod P posune do polohy P a napětí na diodě U2 se změní o hodnotu U2. Změna U2 je ve srovnání se změnou U1 tím menší, čím je menší vnitřní odpor diody RD a čím je větší odpor sériového rezistoru RS.

Parametrické stabilizátory napětí Činitel stabilizace K tohoto stabilizátoru lze určit ze vztahu Aby stabilizační dioda nebyla přetížena, nesmí se při činnosti stabilizátoru dostat pracovní bod P za křivku mezního ztrátového výkonu diody. Dále je třeba zajistit, aby zatěžovací proud IZ byl vždy menší než je proud ID procházející diodou.

Zpětnovazební stabilizátor napětí Obr. 2 Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí

Zpětnovazební stabilizátor napětí Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí je naznačeno na obr. 2. Snímač odchylky porovnává referenční napětí s výstupním napětím a vytváří rozdílový signál, který postupuje na regulační člen. Regulační člen mění vlivem rozdílového signálu svůj vnitřní odpor takovým způsobem, že napětí na zátěži se nemění. Zdroj referenčního napětí je realizován stabilizační diodou, snímač odchylky a regulační člen tranzistory nebo operačními zesilovači.

Integrované stabilizátory napětí Na výše popsaných principech pracují také monolitické integrované stabilizátory napětí. Vyrábějí se jako integrované obvody a dokáží stabilizovat napětí jednotek a desítek voltů a odebíraný proud může dosahovat zpravidla do 1 A. Pro zvýšení odebíraného proudu se doplňují výkonovými tranzistory.

Integrované stabilizátory napětí Nejznámější z nich jsou integrované obvody pod označením MAA 723 a MA 78XX, kde XX udává výstupní hodnotu stabilizovaného napětí (např. MA 7824 je stabilizátor pro 24 V). Toto napětí se pohybuje od 3 do 24 V. Jako zesilovačů odchylky se v těchto obvodech používá zapojení s diferenciálními zesilovači, stejné nebo podobné jaké je použito v operačních zesilovačích.

Měniče napětí Měnič napětí je zařízení, které slouží ke změně napětí napájecí soustavy. Pro měniče napětí se často také používá označení zdroj (nebo napájecí zdroj), přestože skutečným zdrojem elektřiny je generátor v elektrárně, nebo baterie. U střídavého napětí můžeme měnit frekvenci a velikost (amplitudu), u stejnosměrného napětí můžeme měnit pouze jeho velikost. Rovněž můžeme měnit střídavé napětí na stejnosměrné napětí („usměrňovat“) a naopak (což můžeme z určitého hlediska považovat také za změnu frekvence).

Měniče napětí Obecně vzato se pro přenos elektrické energie používají vyšší napěťové hladiny, zatímco pro její použití jsou výhodnější nižší napěťové hladiny. Na vyšší napěťové hladině stačí pro přenesení stejného výkonu nižší elektrický proud, což vede ke snížení ztrát a k možnosti použití tenčích vodičů (drátů). Naopak, vyšší napětí zvyšuje riziko úrazu elektrickým proudem, zvyšuje konstrukční nároky na elektrické stroje a přístroje (nutnost zesílení izolace) a je nevhodné pro spotřební elektroniku a telekomunikační techniku.

Měniče napětí Z hlediska funkce můžeme měniče dělit následovně: Usměrňovač (AC/DC měnič) převádí střídavé vstupní napětí a proud na stejnosměrné výstupní napětí a proud, Střídač (DC/AC měnič) převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní střídavé napětí, Měnič frekvence (AC/AC měnič) mění vstupní střídavé napětí jedné frekvence na výstupní střídavé napětí jiné frekvence, Transformátor převádí vstupní střídavé napětí na výstupní střídavé napětí jiné velikosti a stejné frekvence,

Měniče napětí DC-DC měnič převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní stejnosměrné napětí jiné velikosti. V praxi se často setkáváme s kombinací různých druhů měničů. Například napájecí zdroj pro notebook v sobě může obsahovat diodový usměrňovač, následovaný DC-DC měničem. Diodový usměrňovač převede střídavé efektivní síťové napětí 230 V na stejnosměrné napětí velikosti zhruba 300 V. Toto napětí pak DC-DC měnič převádí na napětí obvykle okolo 20 V, kterým je napájen notebook.

Technologické dělení měničů napětí Z hlediska technologie můžeme rozdělit měniče napětí na dvě skupiny. První skupinu můžeme zjednodušeně označit jako klasické měniče (pracující na elektromagnetickém nebo elektromechanickém principu). Druhou skupinu jako elektronické měniče (pracujicí na principu polovodičů). Klasické měniče prakticky vždy používají magnetické komponenty. Transformátory převádějí elektrickou energii na magnetický tok a ten poté zpátky na elektrickou energii.

Technologické dělení měničů napětí Rotační měniče (např. kombinace motor-generátor) využívají navíc při změně parametrů elektrické energie ještě točivý pohyb. Nelze obecně říci, že by klasické měniče byly nemoderní a odsouzené k zániku a náhradě polovodičovými měniči. V drtivé většině polovodičových měničů hrají nezastupitelnou roli vysokofrekvenční (nebo také pulsní) transformátory a jiné magnetické komponenty (tlumivky). Bez transformátoru nelze zajistit galvanické oddělení obvodů, nebo dobrou účinnost převodu napětí při velkých rozdílech napěťových hladin (například jedna ku deseti).

Technologické dělení měničů napětí Obr.3 Toroidní transformátor 230V 50Hz/12V 100W, průměr 10 cm, hmotnost cca 2,5 kg.

Technologické dělení měničů napětí Jedním z nejjednodušších a nejstarších měničů napětí je transformátor. Ten ovšem dokáže pracovat pouze se střídavým proudem. Pro přeměnu stejnosměrného proudu lze použít rotační měnič, což je elektrický stroj složený ze stejnosměrného elektromotoru a generátoru na společné ose. Problémem rotačních měničů je, že pohybující se součásti způsobují hluk a navíc snižují jejich spolehlivost.

Technologické dělení měničů napětí Běžné transformátory a rotační měniče pracující s běžným napájecím napětím o frekvenci 50Hz bývají velmi rozměrné a těžké. To je dané tím, že pro nízké frekvence se železná jádra vedoucí magnetický tok rychle přesycují, takže jádra musí mít pro přenesení daného výkonu poměrně velké rozměry.

Technologické dělení měničů napětí Používání nízké síťové frekvence je dané jednak tím, že: v pionýrských dobách, kdy byly vytvářeny standardy, neuměl průmysl vyrobit magnetické a mechanické komponenty na technologické úrovni potřebné pro využívání vyšších frekvencí a otáček, jednak tím že nízké frekvence jsou výhodné pro provoz v průmyslu hojně využívaných pomaluběžných pohonů.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha, 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice, 2002 http://cs.wikipedia.org/wiki/Měnič_napětí