Měniče napětí. Typy a zařízení. Práce

Moderní měniče napětí (na rozdíl od zastaralých mechanických) jsou elektrická nebo elektronická zařízení, která umožňují dosáhnout požadovaného výstupního napětí. V souladu s povahou změny tohoto ukazatele se dělí na zvyšující a snižující. Kromě amplitudy napájecího napětí jsou tato zařízení schopna měnit i jeho frekvenci. Takové měniče se používají v různých oblastech lidské činnosti, včetně výroby a domácnosti.

Typy převodních zařízení

Mezi známými druhy převodních zařízení vynikají:

• Transformátorové měniče napětí.
• Jejich elektronické analogy fungují na principu pulzně šířkové modulace (PWM).
• Střídače a usměrňovače.
• Stabilizátory napětí.

Lineární transformátory

Měniče napětí založené na lineárních transformátorových obvodech patří mezi nejběžnější řešení své doby. Jejich princip fungování je založen na indukčním jevu a možnosti přenosu energie společným elektromagnetickým polem pro dvě cívky. Díky indukční vazbě vstupního a výstupního obvodu transformátoru je možné nastavit amplitudu provozního napětí v zátěži.

Aby se toho dosáhlo, je počet závitů v sekundárním vinutí buď menší (snižující efekt), nebo větší než v primární cívce. Ve druhém případě je implementována varianta zvyšujícího transformátoru. Provozní proudy v obou vinutích, stejně jako průřez vodičů vinutí, se vypočítávají na základě stejného poměru závitů v každém z nich. Protože výkon v měničích tohoto typu je přenášen pouze s malými ztrátami (P1 je přibližně roven P2), jsou proudy ve vinutích nepřímo úměrné napětím, která na ně působí.

Mezi výhody indukčních zařízení patří jednoduchost elektrického obvodu a také snadná údržba a opravy.

Lineární transformátory mají jednu významnou nevýhodu: kvůli konstrukčním vlastnostem vinutí a jádra se vyznačují značnými rozměry a hmotností. „Pokročilejší“ metoda přenosu výkonu do zátěže, nazývaná pulzně šířková modulace, vám umožňuje zbavit se této nevýhody.

Měniče napětí s PWM

Tato metoda přeměny napětí využívá metodu umělého převodu do pulzní formy, což výrazně zjednodušuje základní operace. Za tímto účelem se do obvodu zavádí další signál ve formě nosné, reprezentované „trojúhelníkem“ nebo „pilou“. Ten se přivádí na invertující vstup komparátoru, zatímco modulovaná úroveň působí na stejnosměrnou.

V okamžicích, kdy hodnota nosné vlny překročí amplitudou užitečný signál, se na výstupu komparátoru objeví elektrická „nula“. Pokud je její hodnota menší než hodnota modulované úrovně, na výstupu se vytvoří záporná „jedna“. Výsledný pulzní signál se zprůměruje.

Použití metody PWM poskytuje následující výhody:

• Vysoká účinnost pulzních napájecích zdrojů (UPS).
• PWM měniče napětí jsou ekonomické díky nízké úrovni tepelných ztrát ve srovnání s lineárními transformátory.
• UPS mají menší rozměry a hmotnost.

Je třeba také poznamenat, že spolehlivost těchto zařízení je výrazně zvýšena a jejich životnost je prodloužena. Mezi jejich nevýhody patří silné impulzní rušení vytvářené zařízením v blízkosti jeho umístění.

Invertorové měniče

Měnič je elektronický modul, který umožňuje získat střídavý proud z původního stejnosměrného napětí. Podle svého účelu se tato zařízení dělí na následující typy:

• Stacionární invertorové měniče napětí.
• Mobilní jednotky zajišťující napájení velkých stavenišť.
• Automobilové měniče.

První z těchto zařízení se používají v podmínkách, kdy v místě, kde se pracuje s domácími spotřebiči nebo jiným zařízením, není zásuvka z elektrické sítě.

Automobilové střídače se rozšířily teprve v posledních letech. Poptávka po nich je vysvětlena touhou majitelů automobilů používat v autě zařízení, která jsou určena pro střídavé napětí 220 V.

Princip fungování invertorových zařízení

Činnost střídače lze popsat následující posloupností elektronických operací:

• Konstantní napětí ze zdroje je přiváděno do procesního modulu, kde je pomocí vestavěného regulátoru přepínáno na určité frekvenci.
• Na výstupu spínače se generují obdélníkové impulsy požadované amplitudy, které jsou následně přivedeny do filtrační jednotky.
• Po zpracování mají tvar klasické sinusové vlny s amplitudou 220 V.

Spínací frekvence ve spínači je nastavována řídicími signály přicházejícími z regulátoru. Řídicí modul kromě regulace napětí synchronizuje spínací frekvenci výstupních klíčů spínače a také zajišťuje ochranu převodního zařízení před přetížením a zkraty.

Usměrňovače

Měniče napětí určené k usměrnění střídavého napětí se vyrábějí na prvcích s jednosměrnou vodivostí (polovodičové diody). V závislosti na použitém obvodu mají tato zařízení následující provedení:

• Půlvlna.
• Dvě půlvlny.
• Můstkové obvody.
• Usměrňovače se zdvojnásobením napětí.

První z těchto schémat se používají extrémně zřídka, což je vysvětleno nízkou kvalitou usměrněného napětí (významné zkreslení sinusoidy). „Dvoutaktní“ usměrnění se používá pro práci se stejnosměrnými elektromotory. Je vhodné pro většinu elektrických strojů vybavených kartáčovými jednotkami.

Můstkové obvody jsou uzavřený řetězec 4 usměrňovacích diod. Na jednu z diagonál je přivedeno střídavé napětí a na druhou je připojena zátěž s pulzujícím proudem. Pro vyrovnání signálu na výstupu můstkového obvodu je připojen filtrační prvek (velkokapacitní elektrolytický kondenzátor).

Mezi varianty klasického usměrňovače patří obvody, které umožňují zvýšení výstupní amplitudy. Typickým příkladem takového řešení jsou usměrňovače se zdvojnásobením napětí, které se nazývají „násobiče“.

Stabilizátory napětí

Tato kategorie zahrnuje zařízení, která zajišťují udržení výstupních parametrů na dané úrovni i při nestabilním vstupním napětí. Zaručují vysoce kvalitní napájení pro jakékoli zařízení připojené k výstupu (včetně domácích spotřebičů určených pro síť 220 V).

Podle typu stabilizovaného napětí se tato zařízení dělí na dva typy. První se instalují v obvodech stejnosměrného proudu a druhé se používají v sítích 220/380 V.

Podle způsobu převodu se stejnosměrné stabilizátory dělí na pulzní a lineární. Podle způsobu připojení k obsluhované síti mají tato zařízení také dvě verze: paralelní nebo sériový typ.

Beztransformátorové měniče napětí

Kromě způsobu přeměny napětí se liší přítomností speciální vinuté jednotky – transformátoru. Většina dříve uvažovaných zařízení ji obsahuje. Existuje však speciální třída zařízení, ve kterých se vinuté transformátory vůbec nepoužívají.

Jedná se o nejjednodušší měniče napětí s usměrňovacím můstkem a stabilizátorem. Ve svém obvodu obsahují děliče postavené na rezistorech nebo kondenzátorech (R1 a C1). Tato zařízení jsou určena k převodu střídavého proudu 220 V na nižší napětí s následným usměrněním pro napájení například LED girland. Jednou z variant takových děličů napětí je obvod s předřadníkovým kondenzátorem.

Pokud je nutné snížit úroveň stejnosměrného napětí, používají se lineární stabilizátory postavené na integrovaných prvcích typu (KREN).

Mezi výhody beztransformátorových měničů, navržených ve formě standardních adaptérů, patří:

• Schopnost obejít se bez masivních a pracných transformátorů.
• Cenová efektivita převodních zařízení je vysvětlena nízkou cenou komponentů.
• Snížení rozměrů a hmotnosti zařízení, která implementují tuto metodu přeměny napětí.

Nevýhody beztransformátorových obvodů zahrnují nedostatek galvanického oddělení primárního a sekundárního obvodu a také nemožnost jejich použití při vysokých výkonech.

V takových zařízeních, pokud jsou jednotlivé prvky poškozeny, vstupuje střídavý proud 220 V do výstupních obvodů galvanickým spojením. To může vést k zasažení uživatele proudem vysokého napětí se všemi z toho plynoucími důsledky. V situaci, kdy je vyžadována významná konverze výkonu, budou rozměry použitých komponent (zejména tlumivek) příliš velké. To připravuje beztransformátorové měniče o jednu z jejich hlavních výhod.

Související témata:

• Elektronické transformátory. Konstrukce a provoz. Vlastnosti
• Spínané zdroje. Druhy a práce. Funkce a aplikace
• Napájecí zdroje. Druhy a práce. Funkce a aplikace
• Napájecí zdroj pro LED pásky. Typy a zapojení. Moc
• Elektronické generátory. Typy a zařízení. Provoz a vlastnosti
• Měnič napětí 12-220 (Invertor). Typy a parametry
• Násobiče napětí. Typy a funkce. Použití a výpočet