8. Klasické napájecí zdroje a násobiče napětí

• Schéma klasického napájecího zdroje
• Usměrňovače: jednocestný, dvoucestný, můstkový, můstkový třífázový
• Pasivní a aktivní filtry
• Zdvojovače a násobiče napětí

---

1. Úvod a rozdělení

• Napájecím zdrojem rozumíme zařízení, které je schopné dodat elektrickému systému energii potřebnou k jeho činnosti.

• Klasický síťový napájecí zdroj se skládá z několika základních částí – transformátoru, usměrňovače, filtru a často i regulačního obvodu.

• 1. Podle principu činnosti (zpracování energie):

  • Klasické (lineární) zdroje: Využívají síťový transformátor (50 Hz), usměrňovač a lineární stabilizátor. Jsou těžší, rozměrnější a mají nižší účinnost, ale poskytují velmi čisté napětí bez rušení (vhodné např. pro měřicí přístroje nebo audiotechniku).
  • Spínané zdroje (SMPS): Síťové napětí se rovnou usměrní a následně se elektronicky “rozseká” (spíná) vysokou frekvencí (desítky kHz). Díky tomu stačí miniaturní transformátor. Jsou malé, lehké a mají vysokou účinnost (nabíječky, PC zdroje).

• 2. Podle kvality výstupního napětí:

  • Nestabilizované: Napětí kolísá v závislosti na zatížení a výkyvech v síti.
  • Stabilizované: Udržují konstantní napětí. Dělí se dále na parametrické (využívají např. Zenerovu diodu, pro malé proudy) a zpětnovazební/elektronické (s tranzistory a regulační smyčkou, pro větší výkony).

• 3. Podle vstupního a výstupního napětí (např. AC → DC)

---

2. Schéma klasického napájecího zdroje

Blokové schéma napájecího zdroje

• Transformátor – slouží k transformování síťového napětí obvykle směrem dolů a má také význam bezpečnostní – galvanické oddělení (odděluje napájený přístroj od sítě).
• Usměrňovač – slouží k přeměně střídavého napětí na pulsující napětí jedné polarity.
• Filtr – slouží k vyhlazení pulsujícího napětí přicházejícího z usměrňovače na napětí stejnosměrné, jehož hodnota je potom v každém časovém okamžiku přibližně stejná.
• Stabilizátor – slouží k stabilizaci napětí, aby se jeho hodnota co nejméně měnila v závislosti na změnách síťového napětí nebo na změnách odebíraného proudu do zátěže.

Schéma příkladu napájecího zdroje

---

3. Usměrňovače

• 3.1 Jednocestný usměrňovač

  • Zapojení: Pouze 1 dioda v sérii se zátěží.
  • Funkce: Propustí pouze jednu (např. kladnou) půlvlnu, druhou odřízne.
  • Vlastnosti: Výstupní napětí je velmi pulzující, těžko se vyhlazuje. Velmi nízká účinnost. Použití jen pro nenáročné obvody s minimálním odběrem.
  Schéma jednocestného usměrňovače a graf vstupního/výstupního napětí

• 3.2 Dvoucestný usměrňovač

  • Zapojení: 2 diody, vyžaduje speciální transformátor s vyvedeným středem sekundárního vinutí.
  • Funkce: Využívá obě půlvlny. Každá dioda zpracovává jednu půlvlnu vzhledem ke středu vinutí.
  • Vlastnosti: Dvojnásobná frekvence pulzací (snadnější filtrace), vyšší účinnost, ale nutnost dražšího transformátoru.
  Schéma dvoucestného usměrňovače a graf vstupního/výstupního napětí

• 3.3 Můstkový usměrňovač (Graetzův můstek)

  • Zapojení: 4 diody zapojené do můstku. Nejpoužívanější typ.
  • Funkce: Využívá obě půlvlny. Proud vždy protéká dvěma diodami v sérii se zátěží, směr proudu zátěží je vždy stejný.
  • Vlastnosti: Nevyžaduje trafo se středem, skvělá účinnost, dobře se filtruje.
  Schéma můstkového usměrňovače a graf vstupního/výstupního napětí

• 3.4 Můstkový třífázový usměrňovač

  • Zapojení: 6 diod (případně více u vícepulzních), připojuje se na 3 fáze (L1, L2, L3).
  • Vlastnosti: Fáze jsou vzájemně posunuty o 120°, takže se jejich vrcholy překrývají. Výsledné napětí je už po usměrnění tak hladké, že často nevyžaduje velký filtr. Používá se v průmyslu pro velké výkony (svářečky, pohony).

---

4. Vyhlazovací filtry

• Úkolem je snížit zvlnění (zbytkovou střídavou složku) po usměrnění na co nejmenší hodnotu s nejmenšími ztráty a zajistit stabilní stejnosměrné napětí.
• Používají se za usměrňovačem jako mezistupeň před stabilizací napětí.
• Účinnost filtračního článku se posuzuje činitelem vyhlazení, kde $U_{Z1}$ je zvlnění napětí před filtrem a $U_{Z2}$ je zvlnění napětí za filtrem. Udává kolikrát daný filtr zmenšuje amplitudu první harmonické:

$${\phi }_v=\frac{U_{Z1}}{U_{Z2}}$$

• 4.1 Pasivní filtry

  • Skládají se z R, L, C součástek.
  • Kapacitní filtr: Kondenzátor paralelně k zátěži. Nabije se na špičkové napětí a v době poklesu se vybíjí do zátěže, čímž napětí “podrží”. (Nejběžnější).
  • Indukční filtr: Cívka (tlumivka) sériově se zátěží. Brání náhlým změnám proudu.
  • Kombinované (LC, RC, $\pi$-články): Kombinují cívky/rezistory a kondenzátory pro dosažení minimálního zvlnění (tzv. činitel zvlnění).
  Schéma můstkového usměrňovače a graf vstupního/výstupního napětí

  

  Schéma můstkového usměrňovače a graf vstupního/výstupního napětí

  
  
  

  • 4.1.1 Filtrační článek RC

    • Kapacitní reaktance kondenzátoru ($X_C$): Určuje odpor kondenzátoru pro střídavou složku. S rostoucí frekvencí klesá (kondenzátor „zkratuje“ rušení k zemi).
    $$X_C=\frac{1}{2\cdot \pi \cdot f\cdot C}[\Omega ]$$
    • Podmínka správné činnosti: Aby filtr fungoval efektivně, musí být odpor rezistoru mnohem větší než reaktance kondenzátoru pro danou frekvenci zvlnění (obvykle 100 Hz).
    $$R>>X_C$$
    • Mezní kmitočet filtru ($f_m$): Frekvence, při které začíná filtr účinně tlumit střídavou složku (pokles o 3 dB). Pro vyhlazování musí být  výrazně nižší než 100 Hz.
    $$f_m=\frac{1}{2\cdot \pi \cdot R\cdot C}[Hz]$$
    • Činitel vyhlazení ($\phi$): Udává poměr vstupního zvlnění ($u_{z1}$) ku výstupnímu zvlnění ($u_{z2}$).
    $$\phi =\frac{u_{z1}}{u_{z2}}\approx 2\cdot \pi \cdot f\cdot R\cdot C[-]$$

  • 4.1.2 Filtrační článek LC

    • Induktivní reaktance cívky ($X_L$): Určuje odpor cívky pro střídavou složku. S rostoucí frekvencí roste (cívka “brzdí” rychlé změny proudu).
    $$X_L=2\cdot \pi \cdot f\cdot L$$
    • Podmínka správné činnosti: Aby byla filtrace účinná, musí cívka klást střídavé složce mnohem větší odpor než kondenzátor.
    $$X_L>>X_C$$
    • Rezonanční kmitočet ($f_0$): Je dán Thomsonovým vztahem. Aby filtr fungoval jako vyhlazovací, musí být jeho rezonanční kmitočet nastaven výrazně níže, než je frekvence usměrněného napětí (100 Hz).
    $$f_0=\frac{1}{2\cdot \pi \cdot \sqrt{L\cdot C}}$$
    • Činitel vyhlazení ($\phi$): Pro LC filtr roste účinnost s druhou mocninou frekvence (proto je LC filtr velmi účinný).
    $$\phi \approx (2\cdot \pi \cdot f{)}^2\cdot L\cdot C-1$$

• 4.2 Aktivní filtry

  • Využívají polovodičové součástky (tranzistory, operační zesilovače).
  • Fungují jako “elektronická kapacita/indukčnost”, která aktivně vyrovnává kolísání. Většinou jsou dnes tyto obvody rovnou součástí elektronických stabilizátorů.
  • Při ještě větších nárocích na vyhlazení se použije filtr několikastupňový. Výsledný činitel vyhlazení vícestupňového filtru je dán součinem vyhlazení jednotlivých stupňů.
  Schéma aktivního filtru

---

5. Zdvojovače a násobiče napětí

• Používají se tam, kde potřebujeme vysoké stejnosměrné napětí, ale odebíráme jen minimální proud (např. rentgeny, CRT obrazovky, ionizátory), a nechceme používat drahý zvyšovací transformátor.
• Princip: Soustava diod a kondenzátorů. Kondenzátory se střídavě nabíjejí v jednotlivých půlvlnách a jejich napětí se na výstupu sčítají.
• Zdvojovač (Greinacherovo zapojení): Skládá se ze 2 diod a 2 kondenzátorů. Na výstupu je přibližně dvojnásobek špičkového vstupního napětí.
• Kaskádní násobič (Cockcroft-Walton): Přidáváním dalších “pater” (diod a kondenzátorů) lze napětí znásobit 3x, 4x, ale i vícenásobně. Lze tak ze stovek voltů udělat i desítky kilovoltů.

• 5.1 Sériový zdvojovač napětí

  • První kondenzátor je zapojený přímo v sérii se zdrojem střídavého napětí. První dioda s tímto kondenzátorem udělá zajímavý trik: celou střídavou sinusoidu “posune” nad nulu. Napětí už nekmitá od $-U_{max}$ do $+U_{max}$, ale od $0$ do $2\cdot U_{max}$. Druhá dioda s druhým kondenzátorem pak už fungují jen jako obyčejný usměrňovač s filtrem, který tohle posunuté maximum zachytí.

• 5.2 Paralelní zdvojovač napětí

  • Zpracovává obě půlvlny střídavého napětí. Během kladné půlvlny se přes první diodu nabije první kondenzátor na maximální napětí zdroje ($U_{max}$). Během záporné půlvlny se přes druhou diodu nabije druhý kondenzátor, opět na $U_{max}$.

• 5.3 Násobiče napětí

  • Zpracovává střídavé napětí v navazujících cyklech. Během první půlvlny se přes diodu D1 nabije kondenzátor C1 na maximální napětí zdroje ($U_{max}$). Během opačné půlvlny se napětí zdroje sečte s napětím na C1 a přes diodu D2 se kondenzátor C2 nabije na dvojnásobek, tedy $2U_{max}$. V dalších půlvlnách se náboj postupně přelévá dál, čímž se i kondenzátory C3 a C4 nabijí na $2U_{max}$. Výsledné vysoké napětí pak získáme součtem napětí na sériově zapojených kondenzátorech (např. C2 + C4 dává $4U_{max}$).