Měnič napětí

Pro přenos elektrické energie používají vyšší napěťové hladiny, zatímco pro její použití jsou výhodnější spíše nižší úrovně. Na vyšší napěťové hladině stačí pro přenesení stejného výkonu nižší elektrický proud, což vede ke snížení ztrát a k možnosti použití tenčích vodičů (drátů) a úspoře materiálů. Naopak, vyšší napětí zvyšuje riziko úrazu elektrickým proudem, zvyšuje konstrukční nároky na dielektrickou pevnost izolace (nutnost zesílení) rozvodů a vedení, elektrických strojů, zařízení a přístrojů a je nevhodné pro telekomunikační techniku a elektroniku: Základním měničem pro účely přenosu elektrické energie je transformátor.

Elektrická rozvodná síť pracuje s napětím o frekvenci 50Hz (EU) nebo 60Hz (USA). Koncovým bodem rozvodné sítě je pro domácnost zásuvka se střídavým napětím 230V (EU) nebo 120V (USA). Takové napětí dokáže přímo využít jen část spotřebičů (přímotopy, klasické žárovky), ostatní spotřebiče obsahují měniče napětí. Koncové spotřebiče v domácnostech a v průmyslu dnes ve stále větší míře využívají polovodičové měniče napětí, jejichž využití často umožňují zmenšit rozměry, zlepšit užitné vlastnosti a zvýšit účinnost zařízení. Základní typy měničů pro nabíjení notebooku na cestách stojí kolem 1000 Kč, ale složitější zařízení např. pro záložní napájení ledničky vyjde i na více než 10 tisíc Kč.[1]

Z hlediska funkce můžeme měniče dělit následovně:

• Usměrňovač (AC/DC měnič) převádí střídavé vstupní napětí a střídavý vstupní proud na stejnosměrné výstupní napětí a stejnosměrný výstupní proud
• Střídač (DC/AC měnič) převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní střídavé napětí
• Měnič frekvence (AC/AC měnič) mění vstupní střídavé napětí jedné frekvence na výstupní střídavé napětí jiné frekvence
• Transformátor převádí vstupní střídavé napětí na výstupní střídavé napětí jiné velikosti a stejné frekvence
• DC-DC měnič převádí vstupní stejnosměrné napětí na výstupní stejnosměrné napětí jiné velikosti

V praxi se často setkáváme s kombinací různých druhů měničů. Například napájecí zdroj pro notebook v sobě může obsahovat diodový usměrňovač, následovaný DC-DC měničem. Diodový usměrňovač převede střídavé efektivní síťové napětí 230 V na stejnosměrné napětí velikosti zhruba 300 V. Toto napětí pak DC-DC měnič převádí na napětí obvykle okolo 20 V, kterým je napájen notebook.

Z hlediska technologie můžeme rozdělit měniče napětí na dvě skupiny. První skupinu můžeme zjednodušeně označit jako klasické měniče (pracující na elektromagnetickém nebo elektromechanickém principu), druhou skupinu jako elektronické měniče (pracující na principu polovodičů). Klasické měniče prakticky vždy používají magnetické komponenty. Transformátory převádějí elektrickou energii na magnetický tok a ten poté zpátky na elektrickou energii. Rotační měniče (např. kombinace motor-generátor) využívají navíc při změně parametrů elektrické energie ještě točivý pohyb.

Nelze obecně říci, že by klasické měniče byly nemoderní a odsouzené k zániku a náhradě polovodičovými měniči. V drtivé většině polovodičových měničů hrají nezastupitelnou roli vysokofrekvenční (nebo také pulsní) transformátory a jiné magnetické komponenty (tlumivky). Bez transformátoru nelze zajistit galvanické oddělení obvodů, nebo dobrou účinnost převodu napětí při velkých rozdílech napěťových hladin (například jedna ku deseti).

Transformátor a rotační měnič

Podrobnější informace naleznete v článku Transformátor.

Toroidní transformátor 230V 50Hz/12V 100W, průměr 10 cm, hmotnost cca 2,5 kg.

Jedním z nejjednodušších a nejstarších měničů napětí je transformátor. Ten ovšem dokáže pracovat pouze se střídavým proudem. Pro přeměnu stejnosměrného proudu lze použít rotační měnič, což je elektrický stroj složený ze stejnosměrného elektromotoru a generátoru na společné ose. Problémem rotačních měničů je nízká účinnost, hlučnost a potřeba údržby.

Běžné transformátory a rotační měniče pracující s běžným napájecím napětím o frekvenci 50Hz bývají velmi rozměrné a těžké. To je dané tím, že pro nízké frekvence se železná jádra vedoucí magnetický tok rychle přesycují, takže jádra musí mít pro přenesení daného výkonu poměrně velké rozměry.

Používání nízké síťové frekvence je dané jednak tím, že v pionýrských dobách, kdy byly vytvářeny standardy, neuměl průmysl vyrobit magnetické a mechanické komponenty na technologické úrovni potřebné pro využívání vyšších frekvencí a otáček, jednak tím že nízké frekvence jsou výhodné pro provoz v průmyslu hojně využívaných pomaluběžných pohonů.

Elektronické měniče napětí

Měnič do auta 12/230V 150W, rozměry cca 12 x 7 x 4 cm, hmotnost cca 0,3 kg

Se zlepšujícími se parametry a klesající cenou výkonových polovodičových součástek roste využití elektronických zdrojů napětí. Můžeme to vidět například na zmenšování nabíječek mobilních telefonů, které byly zpočátku řešeny pomocí klasického transformátoru a jednoduchého usměrňovače, zatímco dnes jsou kvůli zmenšení rozměrů a dosažení lepších parametrů řešeny pomocí spínaných zdrojů.

Ve spotřební elektronice se často setkáme se spínanými zdroji (což je vlastně kombinace usměrňovače a jednoho nebo více DC-DC měničů. V průmyslu se navíc pro rozběhy a regulaci otáček motorů často využívají polovodičové frekvenční měniče (bývají také kvůli zapojení označovány jako střídače, neboť uvnitř se v podstatě jedna o spojenou dvojici usměrňovač-střídač).

Využití elektronických měničů napětí je omezeno tím, že současné výkonové polovodiče snesou napětí maximálně 2 až 3 kV, přičemž běžné výkonové polovodiče se pohybují na napěťových hladinách do 600 V.

• Měniče napětí - podrobné technické informace
• Odkaz na rozsáhlý seriál článků s tematikou Měnič napětí