Provoz elektrické sítě by se neobešel bez dvou důležitých zařízení – transformátoru a usměrňovače. Transformátor umožňuje snižovat a zvyšovat napětí. Pomocí usměrňovače pak můžeme měnit střídavé napětí na stejnosměrné.
Transformátor
Transformátor funguje na principu elektromagnetické indukce. Je tvořen dvěma cívkami, které jsou navinuté na společném jádře z feromagneticky měkkého materiálu (viz obrázek).
Zdroj
Primární cívka vytváří v jádře střídavé magnetické pole. V sekundární cívce se pak indukuje napětí. Trik spočívá v různém počtu závitů primární a sekundární cívky. V případě nezatíženého transformátoru platí jednoduchý vztah mezi počtem závitů \(N\) a napětím \(U\):
\[ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}\;. \]Tento jednoduchý vztah můžeme experimentálně ověřit pomocí sady cívek a rozložitelného jádra.
Zdroj
Například při volbě \(N_1=300\) a \(N_2=600\) bychom měli na sekundární cívce naměřit dvojnásobné napětí než na primární. Při opačné volbě (\(N_1=600\) a \(N_2=300\)) se bude napětí naopak snižovat na polovinu. Pokud ovšem na sekundární cívku připojíme spotřebič (např. žárovku), transformační poměr se změní (klesne).
Transformátor musí splňovat také zákon zachování energie. Jednoduše řečeno, za zvýšení napětí „zaplatíme“ poklesem proudu (\(p=ui\)). V ideálním transformátoru musí platit, že \(P_1=P_2\) a přibližně také \(U_1I_1=U_2I_2\) (konkrétní výpočty jsou složitější kvůli fázovému posunu).
Kromě toho dochází v reálném transformátoru také k určitým ztrátám elektrické energie, která se mění na teplo. Proto je výkon transformátoru \(P_2\) vždy menší než jeho příkon \(P_1\). Ztráty jsou dvojího druhu. Jednak dochází k zahřívání vodičů cívek kvůli jejich odporu. Druhou část ztrát má na svědomí magnetické pole. Jádro cívky se zahřívá kvůli vířivým proudům, které se v něm indukovaly. Pokud by jádro cívky bylo z masivního vodiče, ztráty by byly obrovské. Proto se jádra cívek vyrábějí buď z nevodivého materiálu (ferity), nebo z tenkých izolovaných plechů, kde jsou vířivé proudy potlačeny.
Kontrolní otázka
Kontrolní otázka
Transformátor malého spotřebiče snižuje napětí ze 100 V na 20 V. Primární cívka má 600 závitů a teče jí proud 50 mA. Doplňte další parametry transformátoru v ideálním případě (beze ztrát). Do pole pro odpověď zadejte pouze hodnotu bez jednotky:
Transformátory
Zdroj
Zdroj
Zdroj
Zdroj
Usměrňovač
Veškerá elektronika a také všechny spotřebiče, které mají akumulátor (včetně automobilů), mohou být napájené pouze stejnosměrným napětím. Usměrňovač je zařízení, které převádí střídavé napětí na stejnosměrné pomocí diod. Z kapitoly 9 víme, že dioda propouští proud pouze jedním směrem. Pokud ji zapojíme sériově ke zdroji napětí, dostaneme nejjednodušší jednocestný usměrňovač. Jeho činnost si můžeme ukázat pomocí obvodu se žárovkou. Pomocí osciloskopu snadno změříme také průběh napětí.
Zdroj
Kontrolní otázka
Po připojění k jednocestnému usměrňovači bude žárovka svítit méně. Na kolik procent původní hodnoty klesne průměrný výkon žárovky? Předpokládejte, že frekvence střídavého proudu je dostatečně vysoká a odpor žárovky proto zůstává konstantní (žárovka nezhasíná). Zajdete výkon vůči původnímu výkonu žárovky v procentech:
Jednocestný usměrňovač sice propouští proud pouze v jednom směru, ale jeho výstup má ke stejnosměrnému (konstantnímu) napětí dost daleko. Proto se reálně používá dvoucestný usměrňovač se čtyřmi diodami (viz obrázek). Jeho zapojení opět modelujeme pomocí obvodu s žárovkou. Pokud před výstup z usměrňovače přidáme ještě kondenzátor s dostatečnou kapacitou, dostaneme na výstupu již téměř konstantní napětí. Vtip je v tom, že kondenzátor se periodicky nabíjí a vybíjí a tím vyrovnává napětí na výstupu usměrňovače.
Zdroj
Také v usměrňovači dochází k tepelným ztrátám. Největší podíl na tom mají usměrňovací diody, které nemají nulový odpor. Na typické usměrňovací diodě naměříme úbytek napětí mezi 0,5 a 1,5 V. Například při proudu 10 A a napětí na diodě 1 V bude ztrátový výkon dvoucestného usměrňovače \(P_\mathrm{Z}=4\cdot1\ \mathrm{V}\cdot10\ \mathrm{A}=40\ \mathrm{W}\).
Zdroj
Kontrolní otázka
Typická spotřební elektronika napájená ze síťové zásuvky tedy vyžaduje zdroj, který se skládá z transformátoru a usměrňovače. Transformátor pro síťovou frekvenci (50 Hz) však musí mít poměrně těžké a velké jádro (v závislosti na přenášeném výkonu). Proto přišli výrobci s trikem, jak toto omezení obejít a vyrábět napájecí zdroje malé a lehké. Při vyšších frekvencích je totiž transformace snazší i s menším jádrem. Výsledné řešení se jmenuje spínaný zdroj a funguje zhruba takto: Napětí přicházející ze sítě se nejdříve usměrní a vyhladí na vstupním kondenzátoru. Pak se pomocí spínacích tranzistorů periodicky zapíná a vypíná s frekvenci řádově desítek kHz. Takto vzniklé přerušované napětí je přivedeno na primární cívku transformátoru. Ze sekundární cívky je napětí opět usměrněno, vyhlazeno a připraveno k použití. Řídící elektronika ovládá zdroj tak, aby na výstupu bylo prakticky stálé napětí.
Zdroj
