Usměrňovač / Zdvojovač síťového napětí

U mnoha spínaných zdrojů se setkáváme s přepínačem 120/240V pro volbu vstupního síťového napětí. Onehdy jsem viděla video s úpravou takového zdroje spočívající v odstranění onoho přepínače, přičemž tam upravovatel pátral po tom, je-li spínač v 230V poloze rozpojen či spojen. To mne dovedlo k přesvědčení, že běžně používané zapojení vstupního usměrňovače popřípadě násobiče takových zdrojů je mnoha lidem neznámé, proto jsem se rozhodla napsat tento článek. Ano, je to nízkoprahové jako mateřská školka a kdybych to na vlastní oči neviděla, tak neuvěřím tomu, že toto zapojení někdo nezná. Holt asi se toho bastlením zase tak moc nenaučíte… (Pro drtivou většinu lidí asi teď nemá smysl pokračovat ve čtení, nebo spíše v to tak trochu doufám.)

Proč jsou tam dva 250V kondenzátory namísto jediného 400V

Ano, při napájení z 230V jsou ty dva kondenzátory v serii, takže se na ně napětí rovnoměrně rozloží. Tady opravdu není důvod aby byly dva v serii. V zapojení 110V jsou ty dva kondenzátory pořád v serii, ale každý se nabíjí z jiné půlvlny. Ano, z těch 110V se násobí dvěma.

Typické zapojení

Nejprve se podíváme na režim 230(240)V, kde je propojka JP1 rozpojena. Není to nic jiného než full bridge rectifier se dvěma kondenzátory v serii. Tedy v kladné půlvlně se otevírá D1, proud dále pokračuje do seriové kombinace C1, C2, kterou nabíjí a též částečně do R1, R2, které slouží jednak k bezpečnému vybití obou kondenzátorů, současně též k vyrovnání napětí na nich. Dále pokračujeme přes D4 zpět do zdroje/sítě (J1). V záporné půlvlně se otevírá D3, pak proud prochází stejným směrem na systém C1, C2, R1, R2 a vrací se do zdroje přes D2. Napětí ze seriové kombinace C1, C2 je následně vedeno do výstupu/zátěže/zbytku zdroje J2. Napětí na seriové kombinaci C1, C2 bude dané amplitudou vstupního signálu, čili cca 240V·√2=340V a rozdělí se víceméně rovnoměrně mezi C1 a C2, na kterých tedy bude přibližně polovina, tedy 170V. Proto zde stačí 250V kondenzátor.

V režimu 110(120)V je propojka JP1 spojena. Proud tedy v kladné půlvlně postupuje ze zdroje J1 přes D1 na C1, který nabíjí. Odtud postupuje přes JP1 zpět do zdroje. D3 v tomto případě zůstává zavřená, protože je na jejím PN přechodu záporné napětí z C1. Toto napětí odpovídá cca amplitudě vstupující půlvlny, čili pro 120V to bude 120·√2=170V. V záporné půlvlně proud postupuje ze zdroje přes JP1 do kondenzátoru C2 a vrací se přes D2 zpět do zdroje JP1. D4 opět zůstává zavřená, neb je na jejím PN přechodu záporné napětí z C2. C2 se tedy obdobně nabije opět na cca 170V a protože jsou oba dva ty kondenzátory v serii, obdržíme na výstupu J2 opět cca 340V.

V obou případech tedy máme na výstupu cca 340V, přičemž na tuto hodnotu je postaven zbytek zdroje. Z uvedeného také plyne, že kapacita kondenzátorů C1, C2 se musí vzhledem k očekávanému zvlnění navrhovat na kmitočet 50/60Hz (pokud se budeme držet sítě), kdežto pokud by byl použit toliko dvoucestný usměrňovač (tj. JP1 rozpojena), stačilo by uvažovat 100/120Hz, čili pro 230V systém jsou ty kondenzátory zbytečně velké. Z toho zase plyne další věc, že pokud se ve výrobě rozhodnou vyrábět pouze 230V variantu, pochopitelně neosadí JP1, ale na pozici C1 a C2 mohou osadit kondenzátory s menší kapacitou, čímž se samozřejmě dá ušetřit. Takže pokud se do desky rozhodnete toto přepínání vrátit, je dost dobře možné, že budete muset měnit i filtrační kondenzátory. Současně z toho i plyne, že při 230V musí být ten přepínač vždy rozpojen a pokud chcete zrušit 120V režim (z takzvaně bezpečnostních důvodů…je to hloupost, mimochodem), stačí tomu přepínači prostě ustříhnout vývod.

Proč není dobrý nápad prostě ustříhnout ten přepínač

Pokud to uděláte, zůstane na panelu vězet přepínač. V momentě, kdy se někdo potká se 120V systémem (a to není tak nereálné, ono na takové dobře zasolené jachtě vám seriozně namlátí i 12V, takže čím menší napětí tím lépe), prostě takto upravený zdroj přepne na 120V a bude předpokládat, že je věc vyřešená. Jenomže není, na výstupu usměrňovače budete mít 170V namísto 340V. Pokud ten zdroj zásluhou toho nenaběhne, prakticky nic se neděje, jen dlouze přemýšlíte proč to nefunguje. Problém nastane když naběhne, což ono bohužel není tak nereálné. Pochopitelně řízení zdroje se bude snažit deficit dohnat a tak vám najednou do vstupu půjdou krapet větší proudy, zdroj poběží v režimu, na který není navržen a patrně poměrně rychle zemře. Naproti tomu, pokud máte 230V a někdo to omylem přepne na 120V (což je to, co má ta úprava řešit), pak instantně vybuchne C1, C2, protože těch 340V prostě neustojí. Aby násobič fungoval a na zdroji se objevilo 680V, musí C1 a C2 fungovat. Ten jev bude rychlý, ohnivý, patrně při tom odejdou i ty dvě diody, ale to bude tak rámcově vše, co se stane. Vznikne tím závada, která bude relativně snadná a levná na opravu. Toto se nedá říct o případu, kdy bude zdroj dlouhodoběji provozován na nízkém vstupním napětí, kde patrně dojde k tepelnému přetížení jádra pulzního transformátoru a to je řekněme finále, to už nemá smysl opravovat. Čili vy tou úpravou možnost relativně jednoduché opravy nahradíte možností prakticky neopravitelné závady. To není dobrý výsledek.

Jak to udělat správně

Pokud už z nějakého důvodu opravdu chcete odstranit možnost provozu na 120V, udělejte to tak, že demontujete celý přepínač, nahradíte ho záslepkou, kterou ještě přelepíte štítkem 230V. V tento moment bude na první pohled jasné, že to na 120V prostě není a tudíž se to ve 120V síti nedá použít. Pokud ta potřeba vznikne, vyřeší se to nějakým autotrafem, prostě stejně jako u spotřebičů, které na 120V prostě nejsou.

Další použití

Toto je asi nejzajímavější. Ono toto samozřejmě nemusí fungovat jen na síťovém napětí, toto zapojení můžete použít za jakýmkoliv transformátorem, což otevírá zajímavé možnosti. Vy totiž tímto způsobem můžete volit i plné/poloviční napětí na výstupu, což dokáže být velice užitečné například u lineárních laboratorních zdrojů, kde vlastně za cenu použití kondenzátorů s větší kapacitou získáváte velice jednoduchou předregulaci, která nebude mít žádné následky v podobě spínacích produktů, takže tímto způsbem můžete zužitkovat transformátor ze zásob. Stejně tak můžete řešit jednoduchou dvoustupňovou regulaci stejnosměrného motoru atd.