Orbis pictus21. století

Tato prezentace byla vytvořenav rámci projektu

Stabilizátory a měniče Stabilizátory a měniče napětí a proudu napětí a proudu

OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-009 OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-009

Stabilizátory napětí Stabilizátory napětí

Stabilizátory napětí udržují stálé napětí na zátěži při:Stabilizátory napětí udržují stálé napětí na zátěži při: kolísajícím napětí zdroje kolísajícím napětí zdroje nebo při změnách zatěžovacího proudu. nebo při změnách zatěžovacího proudu.

Zapojují se mezi napájecí zdroj a zátěž. Zapojují se mezi napájecí zdroj a zátěž.

Podle provedeni a své činnosti se rozlišují stabilizátory:Podle provedeni a své činnosti se rozlišují stabilizátory: parametrické, parametrické, zpětnovazební. zpětnovazební.

Stabilizátory napětíStabilizátory napětí

Parametrické stabilizátory využívají ke své činnosti Parametrické stabilizátory využívají ke své činnosti voltampérovou charakteristiku takových nelineárních prvků, u voltampérovou charakteristiku takových nelineárních prvků, u kterých při velké změně proudu nastává jen malá změna napětí kterých při velké změně proudu nastává jen malá změna napětí (doutnavky, stabilizační diody).(doutnavky, stabilizační diody).

Zpětnovazební stabilizátory obsahují řídicí prvek (tranzistor), Zpětnovazební stabilizátory obsahují řídicí prvek (tranzistor), který je řízen odchylkami mezi referenčním a výstupním který je řízen odchylkami mezi referenčním a výstupním napětím. napětím.

Stabilizátory napětíStabilizátory napětí

Vlastnosti stabilizátoru napětí charakterizují tyto veličiny:Vlastnosti stabilizátoru napětí charakterizují tyto veličiny:

1. 1. ČČinitel stabilizace Kinitel stabilizace K, , který vyjadřuje, kolikrát zmenší který vyjadřuje, kolikrát zmenší stabilizátor poměrné kolísání napětí na svém výstupu při stabilizátor poměrné kolísání napětí na svém výstupu při konstantní zátěži ve srovnání s poměrným kolísáním konstantní zátěži ve srovnání s poměrným kolísáním vstupního napětí, kdevstupního napětí, kde

,, RRZZ = konst = konst

2

2

1

1

U

UU

U

K

Stabilizátory napětíStabilizátory napětí

2. 2. Vnitřní odpor stabilizátoru RVnitřní odpor stabilizátoru R istist, pro který platí, pro který platí

,, UU11 = konst = konst

2

2

I

URist

Parametrické stabilizátory napětí Parametrické stabilizátory napětí Zapojení stabilizátoru napětí se Zapojení stabilizátoru napětí se

stabilizační (Zenerovou) diodou stabilizační (Zenerovou) diodou je na obr.1.je na obr.1.

Stabilizační dioda je Stabilizační dioda je polarizována ve zpětném směru polarizována ve zpětném směru a je připojena paralelně a je připojena paralelně k zatěžovacímu odporu k zatěžovacímu odporu RRZZ. .

Obr.1 Parametrický stabilizátor Obr.1 Parametrický stabilizátor napětí se stabilizační diodounapětí se stabilizační diodou

a) schéma zapojenía) schéma zapojeníb) voltampérová charakteristika b) voltampérová charakteristika diody ve zpětném směru diody ve zpětném směru

Parametrické stabilizátory napětíParametrické stabilizátory napětí Mezi tímto obvodem a stejnosměrným zdrojem je zapojen sériový Mezi tímto obvodem a stejnosměrným zdrojem je zapojen sériový

rezistor rezistor RRSS..

Průsečík voltampérové charakteristiky tohoto rezistoru se Průsečík voltampérové charakteristiky tohoto rezistoru se závěrnou charakteristikou diody určuje pracovní bod P závěrnou charakteristikou diody určuje pracovní bod P stabilizátoru. stabilizátoru.

Při změně napětí Při změně napětí UU11 o hodnotu o hodnotu UU11 se pracovní bod P posune do se pracovní bod P posune do polohy Ppolohy P a napětí na diodě a napětí na diodě UU22 se změní o hodnotu se změní o hodnotu UU22..

Změna Změna UU22 je ve srovnání se změnou je ve srovnání se změnou UU11 tím menší, čím je menší tím menší, čím je menší vnitřní odpor diody vnitřní odpor diody RRDD a čím je větší odpor sériového rezistoru a čím je větší odpor sériového rezistoru RRSS..

Parametrické stabilizátory napětíParametrické stabilizátory napětí Činitel stabilizace K tohoto stabilizátoru lze určit ze vztahuČinitel stabilizace K tohoto stabilizátoru lze určit ze vztahu

Aby stabilizační dioda nebyla přetížena, nesmí se při činnosti Aby stabilizační dioda nebyla přetížena, nesmí se při činnosti stabilizátoru dostat pracovní bod P za křivku mezního stabilizátoru dostat pracovní bod P za křivku mezního ztrátového výkonu diody. ztrátového výkonu diody.

Dále je třeba zajistit, aby zatěžovací proud Dále je třeba zajistit, aby zatěžovací proud IIZZ byl vždy menší byl vždy menší než je proud než je proud IIDD procházející diodou. procházející diodou.

1

21U

U

R

RK

D

S

Zpětnovazební stabilizátor napětí Zpětnovazební stabilizátor napětí

Obr. 2 Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí

Zpětnovazební stabilizátor napětíZpětnovazební stabilizátor napětí Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí

je naznačeno na obr. 2. je naznačeno na obr. 2.

Snímač odchylky porovnává referenční napětí s výstupním Snímač odchylky porovnává referenční napětí s výstupním napětím a vytváří rozdílový signál, který postupuje na napětím a vytváří rozdílový signál, který postupuje na regulační člen. regulační člen.

Regulační člen mění vlivem rozdílového signálu svůj vnitřní Regulační člen mění vlivem rozdílového signálu svůj vnitřní odpor takovým způsobem, že napětí na zátěži se nemění. odpor takovým způsobem, že napětí na zátěži se nemění.

Zdroj referenčního napětí je realizován stabilizační diodou, Zdroj referenčního napětí je realizován stabilizační diodou, snímač odchylky a regulační člen tranzistory nebo operačními snímač odchylky a regulační člen tranzistory nebo operačními zesilovači. zesilovači.

Integrované stabilizátory napětí Integrované stabilizátory napětí

Na výše popsaných principech pracují také monolitické Na výše popsaných principech pracují také monolitické integrované stabilizátory napětí. integrované stabilizátory napětí.

Vyrábějí se jako integrované obvody a dokáží stabilizovat Vyrábějí se jako integrované obvody a dokáží stabilizovat napětí jednotek a desítek voltů a odebíraný proud může napětí jednotek a desítek voltů a odebíraný proud může dosahovat zpravidla do 1 A. dosahovat zpravidla do 1 A.

Pro zvýšení odebíraného proudu se doplňují výkonovými Pro zvýšení odebíraného proudu se doplňují výkonovými tranzistory. tranzistory.

Integrované stabilizátory napětíIntegrované stabilizátory napětí

Nejznámější z nich jsou integrované obvody pod označením Nejznámější z nich jsou integrované obvody pod označením MAA 723 a MA 78XX, kde XX udává výstupní hodnotu MAA 723 a MA 78XX, kde XX udává výstupní hodnotu stabilizovaného napětí (např. MA 7824 je stabilizátor pro 24 stabilizovaného napětí (např. MA 7824 je stabilizátor pro 24 V).V).

Toto napětí se pohybuje od 3 do 24 V. Toto napětí se pohybuje od 3 do 24 V.

Jako zesilovačů odchylky se v těchto obvodech používá Jako zesilovačů odchylky se v těchto obvodech používá zapojení s diferenciálními zesilovači, stejné nebo podobné zapojení s diferenciálními zesilovači, stejné nebo podobné jaké je použito v operačních zesilovačích. jaké je použito v operačních zesilovačích.

Měniče napětí Měniče napětí Měnič napětíMěnič napětí je zařízení, které slouží ke změně napětí je zařízení, které slouží ke změně napětí

napájecí soustavy. napájecí soustavy.

Pro měniče napětí se často také používá označení Pro měniče napětí se často také používá označení zdrojzdroj (nebo (nebo napájecí zdrojnapájecí zdroj), přestože skutečným zdrojem elektřiny je ), přestože skutečným zdrojem elektřiny je generátor v elektrárně, nebo baterie.generátor v elektrárně, nebo baterie.

U střídavého napětí můžeme měnit frekvenci a velikost U střídavého napětí můžeme měnit frekvenci a velikost (amplitudu), u stejnosměrného napětí můžeme měnit pouze (amplitudu), u stejnosměrného napětí můžeme měnit pouze jeho velikost. jeho velikost.

Rovněž můžeme měnit střídavé napětí na stejnosměrné napětí Rovněž můžeme měnit střídavé napětí na stejnosměrné napětí („usměrňovat“) a naopak (což můžeme z určitého hlediska („usměrňovat“) a naopak (což můžeme z určitého hlediska považovat také za změnu frekvence). považovat také za změnu frekvence).

Měniče napětíMěniče napětí Obecně vzato se pro přenos elektrické energie používají vyšší Obecně vzato se pro přenos elektrické energie používají vyšší

napěťové hladiny, zatímco pro její použití jsou výhodnější napěťové hladiny, zatímco pro její použití jsou výhodnější nižší napěťové hladiny.nižší napěťové hladiny.

Na vyšší napěťové hladině stačí pro přenesení stejného Na vyšší napěťové hladině stačí pro přenesení stejného výkonu nižší elektrický proud, což vede ke snížení ztrát a k výkonu nižší elektrický proud, což vede ke snížení ztrát a k možnosti použití tenčích vodičů (drátů). možnosti použití tenčích vodičů (drátů).

Naopak, vyšší napětí zvyšuje riziko úrazu elektrickým Naopak, vyšší napětí zvyšuje riziko úrazu elektrickým proudem, zvyšuje konstrukční nároky na elektrické stroje a proudem, zvyšuje konstrukční nároky na elektrické stroje a přístroje (nutnost zesílení izolace) a je nevhodné pro spotřební přístroje (nutnost zesílení izolace) a je nevhodné pro spotřební elektroniku a telekomunikační techniku. elektroniku a telekomunikační techniku.

Měniče napětíMěniče napětíZ hlediska funkce můžeme měniče dělit následovně:Z hlediska funkce můžeme měniče dělit následovně:

Usměrňovač (AC/DC měnič) převádí střídavé vstupní napětí a Usměrňovač (AC/DC měnič) převádí střídavé vstupní napětí a proud na stejnosměrné výstupní napětí a proud, proud na stejnosměrné výstupní napětí a proud,

Střídač (DC/AC měnič) převádí vstupní stejnosměrné napětí Střídač (DC/AC měnič) převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní střídavé napětí, na výstupní střídavé napětí,

Měnič frekvence (AC/AC měnič) mění vstupní střídavé napětí Měnič frekvence (AC/AC měnič) mění vstupní střídavé napětí jedné frekvence na výstupní střídavé napětí jiné frekvence, jedné frekvence na výstupní střídavé napětí jiné frekvence,

Transformátor převádí vstupní střídavé napětí na výstupní Transformátor převádí vstupní střídavé napětí na výstupní střídavé napětí jiné velikosti a stejné frekvence, střídavé napětí jiné velikosti a stejné frekvence,

Měniče napětíMěniče napětí DC-DC měnič převádí vstupní stejnosměrné napětí na DC-DC měnič převádí vstupní stejnosměrné napětí na

výstupní stejnosměrné napětí jiné velikosti.výstupní stejnosměrné napětí jiné velikosti.

V praxi se často setkáváme s kombinací různých druhů V praxi se často setkáváme s kombinací různých druhů měničů. měničů.

Například napájecí zdroj pro notebook v sobě může obsahovat Například napájecí zdroj pro notebook v sobě může obsahovat diodový usměrňovač, následovaný DC-DC měničem. diodový usměrňovač, následovaný DC-DC měničem.

Diodový usměrňovač převede střídavé efektivní síťové napětí Diodový usměrňovač převede střídavé efektivní síťové napětí 230 V na stejnosměrné napětí velikosti zhruba 300 V. 230 V na stejnosměrné napětí velikosti zhruba 300 V.

Toto napětí pak DC-DC měnič převádí na napětí obvykle Toto napětí pak DC-DC měnič převádí na napětí obvykle okolo 20 V, kterým je napájen notebook. okolo 20 V, kterým je napájen notebook.

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětí napětí

Z hlediska technologie můžeme rozdělit měniče napětí na dvě Z hlediska technologie můžeme rozdělit měniče napětí na dvě skupiny. skupiny.

První skupinu můžeme zjednodušeně označit jako První skupinu můžeme zjednodušeně označit jako klasické klasické měničeměniče (pracující na elektromagnetickém nebo (pracující na elektromagnetickém nebo elektromechanickém principu). elektromechanickém principu).

Druhou skupinu jako Druhou skupinu jako elektronické měničeelektronické měniče (pracujicí na (pracujicí na principu polovodičů). principu polovodičů).

Klasické měniče prakticky vždy používají magnetické Klasické měniče prakticky vždy používají magnetické komponenty. komponenty.

Transformátory převádějí elektrickou energii na magnetický Transformátory převádějí elektrickou energii na magnetický tok a ten poté zpátky na elektrickou energii. tok a ten poté zpátky na elektrickou energii.

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětínapětí

Rotační měniče (např. kombinace motor-generátor) využívají Rotační měniče (např. kombinace motor-generátor) využívají navíc při změně parametrů elektrické energie ještě točivý navíc při změně parametrů elektrické energie ještě točivý pohyb.pohyb.

Nelze obecně říci, že by klasické měniče byly nemoderní a Nelze obecně říci, že by klasické měniče byly nemoderní a odsouzené k zániku a náhradě polovodičovými měniči. odsouzené k zániku a náhradě polovodičovými měniči.

V drtivé většině polovodičových měničů hrají nezastupitelnou V drtivé většině polovodičových měničů hrají nezastupitelnou roli vysokofrekvenční (nebo také pulsní) transformátory a jiné roli vysokofrekvenční (nebo také pulsní) transformátory a jiné magnetické komponenty (tlumivky). magnetické komponenty (tlumivky).

Bez transformátoru nelze zajistit galvanické oddělení obvodů, Bez transformátoru nelze zajistit galvanické oddělení obvodů, nebo dobrou účinnost převodu napětí při velkých rozdílech nebo dobrou účinnost převodu napětí při velkých rozdílech napěťových hladin (například jedna ku deseti). napěťových hladin (například jedna ku deseti).

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětínapětí

Obr.3 Toroidní transformátor 230V 50Hz/12V 100W, průměr 10 cm,

hmotnost cca 2,5 kg.

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětínapětí

Jedním z nejjednodušších a nejstarších měničů napětí je Jedním z nejjednodušších a nejstarších měničů napětí je transformátor. transformátor.

Ten ovšem dokáže pracovat pouze se střídavým proudem. Ten ovšem dokáže pracovat pouze se střídavým proudem.

Pro přeměnu stejnosměrného proudu lze použít rotační měnič, Pro přeměnu stejnosměrného proudu lze použít rotační měnič, což je elektrický stroj složený ze stejnosměrného což je elektrický stroj složený ze stejnosměrného elektromotoru a generátoru na společné ose. elektromotoru a generátoru na společné ose.

Problémem rotačních měničů je, že pohybující se součásti Problémem rotačních měničů je, že pohybující se součásti způsobují hluk a navíc snižují jejich spolehlivost. způsobují hluk a navíc snižují jejich spolehlivost.

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětínapětí

Běžné transformátory a rotační měniče pracující s běžným Běžné transformátory a rotační měniče pracující s běžným napájecím napětím o frekvenci 50Hz bývají velmi rozměrné a napájecím napětím o frekvenci 50Hz bývají velmi rozměrné a těžké. těžké.

To je dané tím, že pro nízké frekvence se železná jádra To je dané tím, že pro nízké frekvence se železná jádra vedoucí magnetický tok rychle přesycují, takže jádra musí mít vedoucí magnetický tok rychle přesycují, takže jádra musí mít pro přenesení daného výkonu poměrně velké rozměry.pro přenesení daného výkonu poměrně velké rozměry.

Technologické dělení měničů Technologické dělení měničů napětínapětí

Používání nízké síťové frekvence je dané jednak tím, že:Používání nízké síťové frekvence je dané jednak tím, že:

v pionýrských dobách, kdy byly vytvářeny standardy, neuměl v pionýrských dobách, kdy byly vytvářeny standardy, neuměl průmysl vyrobit magnetické a mechanické komponenty na průmysl vyrobit magnetické a mechanické komponenty na technologické úrovni potřebné pro využívání vyšších technologické úrovni potřebné pro využívání vyšších frekvencí a otáček, frekvencí a otáček,

jednak tím že nízké frekvence jsou výhodné pro provoz v jednak tím že nízké frekvence jsou výhodné pro provoz v průmyslu hojně využívaných pomaluběžných pohonů.průmyslu hojně využívaných pomaluběžných pohonů.

Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost

Ing. Ladislav JančaříkIng. Ladislav Jančařík

LiteraturaLiteratura

J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha, 1989SNTL Praha, 1989

M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice, 2002M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice, 2002

http://cs.wikipedia.org/wiki/Měnič_napětíhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Měnič_napětí