Zhrnutie na Fotodiódy a usmerňovacie obvody

## Úvod Jednosmerné napájacie zdroje sú elektrické obvody, ktoré premieňajú striedavé napätie na napätie s konštantným smerom prúdu (DC). Používajú sa v napájaniach elektronických zariadení, nabíjačkách batérií a v mnohých priemyselných aplikáciách. > **Definícia:** Jednosmerný napájací zdroj je obvod alebo zariadenie, ktoré dodáva elektrickú energiu vo forme napätia alebo prúdu s pevnou polaritou v čase. ## Základné pojmy ### Usmerňovanie (usmerňovač) - **Usmerňovač** mení striedavé napätie (AC) na jednosmerné (DC) pomocou polovodičových diód alebo usmerňovacích prvkov. - Rozdeľujeme podľa priechodu signálu: 1) **Jednocestné usmerňovanie** 2) **Dvojcestné (plnooktávové) usmerňovanie** > **Definícia:** Jednocestné usmerňovanie prepúšťa len jednu polvlna striedavého signálu, zatiaľ čo dvojcestné využíva obe polvlny. ### Diody a ich úloha - Diody prepúšťajú prúd len jedným smerom, preto sú základným prvkom usmerňovačov. - V jednocestnom zapojení je zvyčajne jedna dióda série s odporom záťaže. ## Typy jednosmerných napájacích zdrojov ### 1) Jednocestné usmerňovače - Prejdeme len jednou polvláknou sínusu. Výstupné napätie obsahuje pulzy s frekvenciou rovnakou ako vstup. - Výhody: jednoduché zapojenie, málo súčiastok. - Nevýhody: veľké zvlnanie napätia, nízka účinnosť, veľké straty v transformátore pri symetrickom zaťažení. ### 2) Dvojcestné (dvojfázové) usmerňovače - Využívajú obidve polvlny sínusovky, čo znižuje zvlnenie a zvyšuje priemernú hodnotu výstupného napätia. - Môžu byť realizované pomocou usmerňovacieho mostíka s 4 diódami. > **Definícia:** Usmerňovací mostík je zapojenie štyroch diód, ktoré zabezpečujú, že na výstupe je vždy rovnaká polarita, nezávisle na smeru vstupnej polvlny. ## Filtrácia a vyhladzovanie napätia - Po samotnom usmernení nasleduje filtračné stupne, najčastejšie s kondenzátorom. - Kondenzátor sa nabíja na vrchole pulzu a medzi pulzami sa vybíja do záťaže, čím znižuje amplitúdu zvlnenia. > **Definícia:** Filtračný kondenzátor ukladá elektrický náboj počas vrcholov napätia a uvoľňuje ho počas poklesu, čím vyhladzuje DC napätie. ### Princíp činnosti kondenzátora v usmerňovači - Počas vrcholov napätia sa kondenzátor nabije na približnú hodnotu špičkového napätia. - Medzi vrcholmi sa kondenzátor vybijú do záťaže a udržiava napätie blízko hodnoty vrcholu. To znižuje oscilačné „zubné“ zvlnenie. ## Porovnanie jednocestného a dvojcestného usmerňovača | Vlastnosť | Jednocestný | Dvojcestný (mostík) | |---|---:|---:| | Počet diód | 1 | 4 | | Frekvencia pulzov na výstupe | $f$ | $2f$ | | Priemerné výstupné napätie | nižšie | vyššie | | Zvlnenie | väčšie | menšie | | Zložitosť | jednoduché | stredná | ## Praktické príklady a aplikácie 1. Napájacie adaptéry pre malé elektronické zariadenia (po usmernení a filtrácii) poskytujú stabilné DC napätie. 2. Nabíjačky pre batérie často používajú dvojcestné usmerňovanie a ďalšie regulačné obvody. 3. Laboratórne zdroje používajú usmernenie + reguláciu napätia na presné nastavenie výstupu. ### Malý príklad výpočtu teoretickej priemernej hodnoty výstupného napätia - Pre jednocestné usmernenie pri ideálnej dióde a vstupnom sínuse amplitúdy $V_m$ je priemerné (DC) napätie približne: $$V_{DC,1} = \frac{V_m}{\pi}$$ - Pre dvojcestné usmernenie (celý vlnový mostík) je priemerné napätie: $$V_{DC,2} = \frac{2V_m}{\pi}$$ (Tieto vzorce sú ideálne hodnoty bez započítania úbytku na diódach a zvlnenia.) Fun fact: Jednocestné usmerňovače sa historicky používali v raných rádioprijímačoch, kde bola elektronika veľmi jednoduchá a zásobovanie energie obmedzené. ## Dizajn a praktické úvahy - Pri návrhu zdroja zvažujeme: požadované DC napätie, maximálny prúd záťaže, požadované zvlnenie (ripple) a tepelnú stratu v diódach. - Kondenzátor filtra: jeho kapacita $C$ a záťažová impedancia určujú veľkosť zvlnenia. Približné zvlnenie $\Delta V$ pri prúde $I$ a frekvencii pulzov $f_p$ možno odhadnúť: $$\Delta V \approx \frac{I}{C f_p}$$ kde pre jednocestné $f_p = f$ a pre dvojces