Žijeme ve světě střídavých a stejnosměrných proudů. Střídavý proud se nejvíce využívá při přenosu elektrické energie. Avšak spotřební elektronika a některá další elektrická zařízení (používaná např. v dopravních prostředcích nebo průmyslových aplikacích) jsou napájena výhradně ze stejnosměrných zdrojů. Proto je součástí většiny elektrických přístrojů a zařízení spotřební elektroniky usměrňovač. Usměrňovače jsou elektronické obvody, které umožňují přeměnu střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný.
Historicky byly nejdříve usměrňovače rtuťové, elektronkové, selenové, později polovodičové. Budeme se zabývat klasickými polovodičovými usměrňovači jednocestnými a dvoucestnými. V poslední době jsou ve zdrojích používané usměrňovače řízené, spínané. Zmíníme zde spínané zdroje, tzv. měniče napětí, které pracují s vyšší frekvencí, než je frekvence sítě 50 Hz (řádově kHz). Tyto moderní zdroje dosahují vysoké účinnosti, malých rozměrů, nízkých výrobních nákladů aj.
V této úloze se seznámíme s činností usměrňovačů a filtrů a se vztahy mezi střední, efektivní a špičkovou hodnotou napětí.
Střední hodnota napětí
Pokud je napětí časově nezávislé, je jeho střední hodnota rovna okamžité hodnotě. Mění-li se periodicky s časem, je střední hodnota definována vztahem
Na stejnosměrných rozsazích analogových i digitálních měřicích přístrojů měříme vždy střední hodnotu. Při periodicky se měnícím signálu je údaj přístroje časově nezávislý, pokud doba kmitu
Efektivní hodnota napětí
Efektivní hodnota napětí
Je-li závislost napětí na čase harmonická, tedy
Výchylka měřicích přístrojů s elektromagnetickým či elektrodynamickým systémem je úměrná efektivní hodnotě proudu, který systémem protéká. U běžně používaných přístrojů s otočnou cívkou či u přístrojů digitálních (elektronických) je výchylka úměrná střední hodnotě proudu. Při měření na střídavých rozsazích se musí signál nejprve usměrnit. Výchylka je potom úměrná střední hodnotě usměrněného proudu. Stupnice je však udělána tak, abychom při harmonickém průběhu signálu mohli přímo číst efektivní hodnoty. Jestliže průběh signálu není harmonický, neodpovídá údaj měřicího přístroje efektivním hodnotám. Protože odečtené napětí na přístroji není v tomto případě efektivní hodnotou, nevyhovuje tento údaj vztahu
RMS a True RMS měřicí přístroje
Efektivní hodnota bývá často označována jako RMS (z angličtiny Root Mean Square, doslovně česky odmocnina průměru čtverců). Elektrická síť v Česku má v jednofázové síti napětí 230 V (efektivní hodnota, tj. maximální hodnota napětí je 325 V) a frekvenci 50 Hz. Efektivní hodnota sdruženého napětí ve třífázové síti je 400 V.
Jednodušší měřicí přístroje, které se běžně používají, měří přesně efektivní hodnotu pouze ze standardních sinusových průběhů. Přesné měřicí přístroje, které měří efektivní hodnotu i z nesinusových vlnových průběhů střídavého napětí nebo proudu, se nazývají True RMS. Toto označení bývá uvedeno na měřicím přístroji.
Jednocestný usměrňovač
Zapojení jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží je na Obr. 1. Transformované střídavé napětí je usměrněno jednou diodou.

Na primární vinutí transformátoru je zapojeno střídavé napájecí napětí, zpravidla ze sítě. V sekundárním vinutí se indukuje střídavé napětí

Dvoucestný usměrňovač
Dvoucestný usměrňovač propouští obě půlvlny vstupního napětí. Tohoto chování lze dosáhnout například pomocí Graetzova obvodu (viz Obr. 3) využívajícího můstkového zapojení čtyř diod.

Činnost můstkového usměrňovače je následující. Pokud má horní uzel sekundárního vinutí transformátoru vyšší potenciál než uzel spodní, teče proud
Usměrňovače ve spínaných zdrojích
Moderní stejnosměrné zdroje obsahují tzv. spínaný zdroj. Spínaný zdroj osahuje spínací prvek, který je spínán vysokou frekvencí, resp. je též spínán na základě zpětné vazby, aby usměrněné napětí mělo konstantní velikost i při proměnné zátěži. Na rozdíl od lineárních zdrojů (zdroje pouze s usměrňovačem a pracující na síťové frekvenci 50 Hz) jsou mnohem účinnější a lehčí, protože zpravidla pracují s vysokou spínací frekvencí, díky níž lze použít menší transformátory s feritovými jádry a menší filtrační kondenzátory. Se spínanými zdroji se lze setkat v nabíječkách mobilních telefonů, v noteboocích, ve zdrojích osobních počítačů aj. V současné době se lineární zdroje používají spíše v laboratořích, kde je ceněno malé zvlnění rušení.
Princip spínaných zdrojů je následující. Napětí z rozvodné sítě 230 V / 50 Hz se nejdříve usměrní pomocí usměrňovacího můstku a vyhladí na vstupním kondenzátoru. Pak se toto stejnosměrné napětí (cca 325 V) „rozseká“ pomocí spínacích tranzistorů na pulzy (frekvence spínání řádově desítky kHz). Toto pulzní napětí je přivedeno na primární vinutí transformátoru s feritovým jádrem, který zpětně transformuje vysoké pulzy na nízké pulzy přibližně o velikosti požadovaného malého stejnosměrného napětí. Na sekundární straně tohoto transformátoru jsou pulzy opět usměrněny pomocí můstkového usměrňovače a poté ještě vyhlazeny kondenzátorem. U precizních spínaných zdrojů se o stabilitu výstupního napětí stará zpětná vazba, která je zavedena z výstupu do vstupu a řídí frekvenci spínání.
Filtrace usměrněného napětí
Usměrněné napětí z diod je na zatěžovacím rezistoru RZ pulzující. Toto napětí můžeme vyhladit (filtrovat), připojíme-li k němu paralelně kondenzátor o kapacitě


V čase mezi následujícími dvěma pulzy bude probíhat pokles napětí na kondenzátoru. Časový průběh napětí
Výpočet časové závislosti napětí na zatěžovacím rezistoru je obecně složitý. Abychom výpočet zjednodušili, budeme předpokládat, že časová konstanta vybíjení
Je-li změna napětí na kondenzátoru malá, lze průběh napětí na rezistoru RZ mezi dvěma následujícími nabíjecími pulzy vyjádřit přibližně vztahem
Ze vztahů
Na závěr je třeba poznamenat, že výše uvedený způsob filtrace je nejjednodušší a nemá optimální parametry. V praxi se proto častěji setkáváme s filtry, které jsou sestaveny z tlumivky a kondenzátoru. U těchto filtrů lze snadněji dosáhnout vyšších hodnot činitele filtrace než u filtrů odporově kapacitních.
Literatura ke studijnímu textu
- Brož, Jaroslav. Základy fyzikálních měření I. Praha: SPN, 1983. Stať 4.4.1.
- Bakule, Roman a Šternberk, Jiří. Fyzikální praktikum II. Praha: Univerzita Karlova, 1989.