Zhrnutie na Dvojcestné usmerňovače a vizualizácia dát

## Úvod Dvojcestný usmerňovač a filtrácia napätia sú základné pojmy v elektronike, ktoré umožňujú premeniť striedavé napätie na stabilnejšie jednosmerné napätie vhodné pre napájanie elektronických obvodov. Tento materiál pre Not attending študenta vysvetlí princíp činnosti, komponenty, praktické príklady a ukáže, ako kondenzátor znižuje zvlnenie výstupného napätia. ## Základné časti a ich úloha ### Transformátor - Úloha: zmeniť amplitúdu sieťového napätia na požadovanú hodnotu na sekundárnom vinutí. - Použitie: zvyčajne znižuje sieťové napätie na bezpečnejšiu úroveň pre ďalšie obvody. > Definícia: Transformátor je elektromagnetické zariadenie, ktoré prevádza striedavé napätie z jedného napäťového stupňa na iný pri zachovaní frekvencie. ### Diódový mostík (dvojcestné usmernenie) - Štyri diódy zapojené do mostíka vedú prúd vždy rovnakým smerom cez záťaž bez ohľadu na polaritu sekundárneho napätia transformátora. - Výsledok: na záťaži vzniká pulzujúce jednosmerné napätie, kde sú kladné všetky polvlny pôvodnej sínusovky. > Definícia: Diódový mostík je zapojenie štyroch diód, ktoré premieňa striedavé napätie na dvojcestne usmernené pulzujúce napätie. ### Rezistor ako záťaž - Rezistor predstavuje spotrebič, do ktorého tečie prúd z usmerňovača. - Naňom meriame výsledné usmernené napätie. > Definícia: Záťaž je prvok alebo obvod pripojený k výstupu napájacieho zdroja, ktorý odoberá výkon. ## Priebeh napätí a matematický popis - Na sekundári transformátora máme sínusové napätie: $v_s(t) = V_{m} \sin(\omega t)$. - Po prechode diódovým mostíkom sa záporné polvlny preklopia na kladné a výsledok na rezistore (bez filtra) je pulzujúce jednosmerné napätie zodpovedajúce absolútnej hodnote sínusovky. > Definícia: Pulzujúce jednosmerné napätie je napätie, ktorého hodnota zostáva jednej polarity, ale mení sa podľa času. Ak pridáme kondenzátor paralelne k rezistoru, priebeh sa mení. Kondenzátor sa počas vrcholu nabije na približnú hodnotu maximálneho napätia po odpočítaní úbytku na diódach a medzi vrcholmi sa postupne vybíja do záťaže. Matematicky možno približne popísať pokles napätia medzi po sebe nasledujúcimi vrcholmi (pri veľkej kapacite a relatívne malom prúde) exponenciálne, ale jednoduché odhadnutie zvlnenia je: $$\Delta V \approx \frac{I_{load}}{f_{ripple} C}$$ kde $I_{load}$ je prúd záťaže, $C$ je kapacita kondenzátora a $f_{ripple}$ je frekvencia pulzov na výstupe. Pre dvojcestné usmernenie s napájacou sieťou frekvencie $f_{s}$ platí $f_{ripple} = 2 f_{s}$. ## Praktické príklady a výpočty 1. Príklad výpočtu približného zvlnenia: ak $I_{load} = 100\,\text{mA}$, $C = 1000\,\mu\text{F}$ a sieť $f_{s} = 50\,\text{Hz}$, tak $f_{ripple} = 100\,\text{Hz}$ a $$\Delta V \approx \frac{0.1}{100 \cdot 10^{0} \cdot 1000 \cdot 10^{-6}} = \frac{0.1}{0.1} = 1\,\text{V}$$ (Tu je dôležité overiť jednotky pri konkrétnom výpočte.) 2. Napätie na kondenzátore pri nabití sa blíži k maximálnemu napätiu sekundára mínus úbytok na diódach, typicky $2 \cdot 0.7\,\text{V}$ v mostíkovom zapojení pri kremíkových diódach (dve diódy v ceste prúdu počas každej polvlny). ## Porovnanie bez filtra a s filtrom | Vlastnosť | Bez kondenzátora | S paralelným kondenzátorom | |---|---:|---:| | Tvar výstupu | Pulzujúce jednosmerné (vysoké zvlnenie) | Vyhladené jednosmerné (nízke zvlnenie) | | Priemerné napätie | Nižšie medzi vrcholmi | Vyššie, približne rovné vrcholu mínus úbytky | | Vhodnosť pre citlivé obvody | Nevhodné | Vhodné | | Závislosť na zaťažení | Silná | Menej výrazná pri dostatočnej kapacite | ## Kľúčové vlastnosti diód v obvode - Úbytok napätia na kremíkovej dióde v priepustnom smere je približne $0.7\,\text{V}$. - V závernom smere dióda povie prúd prakticky nevedie (iba veľmi malý prúd úniku). - V mostíku počas prúdu tečú vždy dve diódy za sebou, preto sa očakáva celkový úbytok približne $1.4\,\text{V}$. Fun fact: Kondenzátory v napájacích filtroch sa často používajú aj v kombinácii s tlmivkami, čo vytvára pi-filtre, ktoré výrazne zlepšujú potlač