Elektronika

Maturitní otázky

NÁSOBIČE NAPĚTÍ A ZDROJE VN

35.Násobiče napětí a zdroje vn

Usměrňovače

                Ve slaboproudých zapojeních se v oblasti napájecích zdrojů ustálilo užití několika základních zapojení usměrňovačů podle požadovaného napětí, proudů a zvlnění. Všechny typy usměrňovačů se převážně užívají s nabíjecím kondenzátorem, který se vynechává jen výjimečně, (vypínání tyrystorů, nabíjení akumulátorů). Typy a jejich vlastnosti lze shrnout :

A)     pro síťový kmitočet 50[Hz]

1)       jednocestný ( vysoká napětí, malé proudy, velké zvlnění )

2)       dvoucestný ( nízká napětí, velké proudy, malé zvlnění )

3)       můstkové ( Graetz ) ( střední napětí, velké proudy, malé zvlnění)

4)       zdvojovač ( Greinacherův ) ( vysoká napětí, malé proudy, velké zvlnění )

5)       násobiče ( velmi vysoká napětí, velmi malé proudy, velké napětí )

B)      pro vyšší kmitočet 100[kHz]

1)       jednocestný ( nízká napětí, vysoké proudy, malé zvlnění )

2)       dvoucestný ( nízká napětí, velké proudy, malé zvlnění, omezuje stejnosměrné sycení jádra transformátoru )

Násobiče

                Násobiče napětí lze realizovat opakováním jednotlivých typů usměrňovačů tak, aby z hlediska střídavého napájení byly všechny jejich stupně spojeny paralelně a z hlediska jejich výstupních stejnosměrných napětí jejich výstupy v sérii. Takovýmto násobičům se říká kaskádní a jsou odvozeny z jednotlivých typů usměrňovačů.

Kaskádní jednocestný násobič (Delonův)

Pro velmi malé proudy a vysoké hodnoty napětí se nevyplatí konstruovat transformátory s vysokým sekundárním napětím (velká pracnost vinutí mnoha závitů tenkého vodiče a velké riziko mezizávitových průrazů tenké izolace tenkého vodiče). Řešením je užití násobiče napětí, kterým lze násobit napětí teoreticky nekonečně mnohokrát, prakticky přijatelná účinnost násobiče omezuje koeficient násobení na hodnotu okolo 10 x.

Obvodově se jakýkoliv násobič skládá z řady jednocestných usměrňovačů, kde základem je jeden stupeň násobiče, překreslený do vhodného tvaru na obr.2.9.

Kondenzátor C_N se nabije (při nulovém proudu zátěže) na maximální hodnotu napětí sekundárního vinutí transformátoru (vstupního napětí usměrňovače), která má velikost:

Na toto napětí se nabije během kladné půlperiody sekundárního napětí transformátoru, tedy v čase, kdy je na horní vstupní svorce kladné napětí oproti spodní vstupní svorce. V dalším časovém okamžiku, kdy horní svorka je záporná vzhledem ke svorce spodní je dioda D v závěrném stavu, neteče jí proud a teoreticky vliv obvodu neovlivňuje. Lze tedy k ní paralelně připojit další jednocestný usměrňovač podle obr. 2.10, který je ovšem svojí diodou D₂ orientován tak, aby tuto zápornou půlperiodu sekundárního napětí mohl zpracovat. Je nutno si uvědomit, že pro druhý jednocestný usměrňovač, skládající se z diody D₂ a kondenzátoru C₂ je zdrojem napětí nikoliv pouze sekundární vinutí transformátoru, ale napětí tohoto vinutí (při polaritě + dole) a napětí na kondenzátoru C_N1!

Tato dvě napětí jsou souhlasně polarizovaná a jejich hodnoty se sčítají:

Kondenzátor C_N2 se tedy nabíjí na toto napětí 2 . U_o (při zanedbání úbytku napětí na D₂). Během třetí půlperiody výstupního napětí transformátoru (vstupního napětí usměrňovače) je opět na horní svorce kladný potenciál vzhledem ke svorce záporné. Pokud předpokládáme, že kondenzátor C_N1 se (teoreticky) nevybil, není důvodu, proč by byl dobíjen proudem přes diodu D₁ t.j. dioda D₁ je zavřená (její pracovní bod je v počátku souřadnic, nebo v závěrné oblasti). Dioda druhého jednocestného usměrňovače D₂ také uzavřena, protože pro kladnou půlperiodu je polarizována v závěru. Jsou tedy předpoklady pro to, aby vedla dioda D₃ třetího jednocestného usměrňovače.

Zdrojem, který napájí napětím třetí jednocestný usměrňovač je podle obr.2.11 sériové zapojení vstupního napětí usměrňovače (výstupního napětí transformátoru) a napětí 2 . U_o na kondenzátoru C_N2, t.j. napětí o maximální velikosti 3 . U_o. Sledujeme-li však cestu nabíjecího proudu třetího jednocestného usměrňovače, zjistíme, že v této cestě leží navíc kromě kondenzátoru C_N3 také kondenzátor C_N1. Tento kondenzátor je dobíjen na napětí U_o, takže ze zdrojového napětí 3 . U_o zbývá na kondenzátor C_N3 pouze napětí o velikosti 2 . U_o.

Během čtvrté půlperiody vstupního střídavého napětí se situace obdobně opakuje pro čtvrtý jednocestný usměrňovač, tvořený diodou D₄ a kondenzátorem C_N4, obr.2.12. Během této doby předpokládáme kladný potenciál na spodní vstupní svorce a záporný na horní vstupní svorce. Pro nabíjecí proud kondenzátoru C_N4 platí II. Kirchhoffův zákon :

Obecně tedy platí, že všechny kondenzátory C_N se nabíjí na napětí 2 . U_o (kromě C_N1) i při dalším řazení dalších stupňů.

Z toho plyne obecný závěr pro násobič napětí:

-          na spodních kondenzátorech jsou liché násobky napětí U_o

-          na horních kondenzátorech jsou sudé násobky napětí U_o.

Na základě předcházejících úvah dimenzujeme všechny užité diody na závěrné napětí U_R > 2 . U_o a propustný proud zátěže I_F = I. Kapacitu jednotlivých kondenzátorů volíme podle empirického vztahu:

C_N > 2 . n . (n + 2) . I / (U_o . f) [F; A, V, Hz],

kde:

-          n je počet stupňů násobiče, ze kterých je odebírán proud

-          I je střední hodnota proudu do zátěže v [A]

-          U_o je střední hodnota napětí základního stupně ve [V]

-          f je kmitočet napětí u_vst obvykle 50 [Hz].

Napěťově dimenzujeme kondenzátory na napětí U_c > 2 . U_o (včetně prvního pro jednotnost).

Kaskádní dvoucestný násobič z Graetzových můstků

Stejně jako v předcházející kapitole byly kaskádně řazeny zdvojovače napětí, lze kaskádně řadit i můstkové usměrňovače, obr. 2.13. V tomto zapojení se postupně nabíjí nabíjecí kondenzátory C_N1,C_N2,...C_Nn, zapojené v diagonálách jednotlivých diodových můstků. Jakmile je např. kondenzátor C_N1 nabit, není důvodu (pokud z něj pro jednoduchost není náboj odebírán vybíjecím proudem) aby tekl proud diodami D₁ - D₄ (první můstek zleva).

Tím tento můstek je tedy odpojen od zdroje střídavého napětí a přes vazební kondenzátory C_Vl a C_V2 je připojen můstek další (D₅ - D₈) a nabíjí se nabíjecí kondenzátor druhého můstku, t.j. C_N2. Celý postup se může opakovat i pro další zařazované stupně, pouze rostoucí počet sériově zapojených vazebních kondenzátorů C_V omezuje velikost nabíjecích proudů dalších můstkových usměrňovačů a tím i jejich zatížitelnost. Z hlediska výstupního napětí jsou nabíjecí kondenzátory řazeny v sérii a výstupní napětí je tedy součtem jednotlivých napětí na C_N. Pro n stupňů násobiče je potom výstupní napětí dáno: U_výst = n . U_o = n .  . U,

kde U je efektivní hodnota výstupního napětí transformátoru na sekundární straně.

Nevýhodou tohoto zapojení je, že vazební kondenzátory, u nichž je požadována vysoká hodnota kapacity (aby neomezovaly nabíjení kondenzátorů C_N, měly by mít vazební kondenzátory kapacity C_V » C_N) a současně musí tyto kondenzátory C_V být bipolární, tj. nesmí být elektrolytické. Tyto dvě podmínky jdou tak značně proti sobě, že užití tohoto násobiče je velmi omezené pouze pro malé výstupní proudy. Nicméně tento násobič je při stejné volbě součástek a stejném zvlnění výstupního proudu schopen dodávat do zátěže dvojnásobný proud, než předcházející typ.

Kaskádní dvoucestný násobič ze dvou Delonových násobičů

Užijeme-li dva Delonovy násobiče, napájené ze dvou vinutí transformátoru, jejichž napětí jsou inverzní, dostaneme zapojení podle obr. 2.14, které lze považovat opět za můstkové zapojení s vyvedeným středem sekundárního vinutí. Pro zapojení platí obdobné úvahy jako pro předcházející a vzhledem k potřebě dvou symetrických sekundárních vinutí je toto zapojení ještě složitější a nepřináší již další výhody kromě té, že je jeden pól výstupního napětí spojen se středem sekundárního vinutí transformátoru. Poloviční proudové zatížení jednotlivých diod v tomto případě obvykle nehraje roli, protože násobiče se užívají převážně pro malé proudy a diody jsou stejně proudově dimenzovány mnohokráte více.

Obr.2.15 Náhrada bipolárního kondenzátoru

Vzhledem k cenovým relacím kondenzátorů a diod je však v dnešní době výhodné sestavit bipolární kondenzátor složením obvodu podle obr. 2.15. Diody, zapojené paralelně k elektrolytickým kondenzátorům zabraňují jejich přepolarizování vyšším napětím, než je U_F = 0,7 [V] u Si diod. Výsledný obvod je jak menší, než původní objemný bipolární (svitkový) kondenzátor, tak i levnější.

Zdroje vn

Zdroje vn slouží pro napájení vysokonapěťových obvodů, např. obrazovek, některých čidel(mikrofony), ionizačních komor a mnoho dalších zařízení.

Je možno je realizovat různými způsoby:

-          transformací napětí pomocí transformátorů. Tento působ se používá jen u nepříliš vysokých napětí, protože transformátory jinak vychází rozměrově veliké, váhově těžké a cenově drahé. Při vyšších napětích rovněž nastávají problémy s izolací jednotlivých vrstev a s možnostmi napěťových přeskoků nebo jiskření v transformátoru..

-          pomocí násobičů napětí. Používá se buď Greinacherovo nebo Delonovo zapojení. Rovněž je možno řadit kaskádně Graetzovy můstky. Greinacherovo zapojení lze použít pro zdvojovač napětí, Delonovo zapojení nebo kaskádní Graetzovy můstky též pro násobiče napětí.

V televizorech se pro získání urychlovacích vysokých napětí využívá napětí indukované na indukčnosti vychylovacích cívek v době zpětného běhu paprsku, jehož maximální hodnota je dána vztahem kde T₁ je doba přímého běhu paprsku, T₂ je doba zpětného běhu paprsku, a u₁ je napětí na indukčnosti v době přímého běhu.