Princip činnosti a typy měničů napětí
Měnič (v úzkém elektrotechnickém smyslu slova) je zařízení pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý se změnou velikosti efektivní hodnoty napětí. V ještě užším provedení – stejnosměrný měnič napětí (12, 24 nebo 48 V) na 220 V AC.
A konečně v radikálně úzkém smyslu – mašinka, která vám umožní napájet různé domácí spotřebiče určené pro napájení ze sítě z autobaterie, a zkrátka – velmi užitečný a snadno použitelný gadget!
Na základě tvaru výstupního napětí se střídače dělí na následující typy:
Obvod znázorněný na obr. 1, stejně jako komentáře k němu, jsou vypůjčeny z knihy „Practical Circuit Design“ od M. A. Shustova, část „Napěťové měniče“. Obr Obvod jednoduchého měniče napětí 220 V, 50 Hz „Maximální výstupní výkon měniče je 100 W, účinnost až 50 %. Hlavní oscilátor je vyroben podle obvodu tradičního symetrického multivibrátoru, vyrobeného na tranzistorech VT1 a VT2 (KT815). Koncové stupně měniče jsou sestaveny pomocí kompozitních tranzistorů VT3 a VT4 (KT825). Tyto tranzistory jsou instalovány bez izolačních těsnění na společném radiátoru.
Zařízení odebírá proud až 20 A z baterie Jako výkonový transformátor byl použit již hotový síťový transformátor 100 W (průřez střední části železného jádra cca 10 cm2). Měl by mít dvě sekundární vinutí, každé s jmenovitým proudem 8V/10A. Aby byla pracovní frekvence hlavního oscilátoru rovna 50 Hz, jsou zvoleny hodnoty rezistorů R1 a R2″.
Vzhledem k tomu, že multivibrátor generuje meandr se zablokovanými okraji a výkonné emitorové sledovače tento tvar opakují, bude v zátěži proudit střídavý proud připomínající tvar sinusoidy a nejsou nutná žádná další vyhlazovací opatření. Účinnost měniče lze výrazně zvýšit, pokud jsou tranzistory pracující ve spínacím režimu použity jako výkonové stupně spíše než opakovače napětí.
Tato úprava převodníku je na obr. 2. Obr.
Obr Obvod jednoduchého měniče napětí se zvýšenou účinností Princip činnosti převodníku je stejný jako u předchozího zařízení. Hlavní generátor (T1, T2) generuje dvě parafázová napětí s frekvencí 50 Hz. Napětí z výstupů hlavního oscilátoru jsou přiváděna do dvou klíčových stupňů stejného typu (T3, T4), které spínají napětí na primárním vinutí transformátoru. Vzhledem k tomu, že multivibrátor generuje obdélníkovou vlnu s blokovanými hranami, klíčové tranzistory pracují s určitým zpožděním, což způsobuje vytvoření určitého druhu modifikovaného sinusového napětí na výstupu měniče. S prvky uvedenými ve schématu je výstupní výkon měniče asi 200 W. Dalšího zvýšení účinnosti a výkonu invertoru lze dosáhnout jednoduchou výměnou bipolárních klíčových prvků za vysoce výkonné tranzistory MOSFET, jak je znázorněno na obr. 2.
Četné a velmi oblíbené invertorové obvody, postavené na specializovaných mikroobvodech pro spínání napájecích zdrojů (např. TL494, TL594 atd.) mají tyto výhody: vysoká účinnost a neméně vysoká frekvenční stabilita, málo závislá na napájecím napětí a vnějších podmínkách. Uveďme jako příklad podobný obvod pulzního měniče napětí +12V až ~220V o výkonu 100W, publikovaný v časopise „Radioconstructor“ 07, 2017. Obr Obvod pulsního měniče napětí +12V až ~220V „Ekvivalentní generační frekvence je 50 Hz a je dána hodnotou odporu rezistoru R5 a kapacitou kondenzátoru C5. Rezistor R4 reguluje pracovní cyklus výstupních impulsů. Mohou regulovat výstupní napětí.
Na výstupech mikroobvodu (piny 9 a 10) se uvolňují protifázové pulsy, vzájemně mírně zpožděné, aby v spínacích okamžicích nezpůsobil průchozí proud v obvodu koncového stupně. Impulzy jsou přiváděny do výkonných klíčových tranzistorů s efektem pole VT1 a VT2. Diody VD2 a VD3 chrání tyto tranzistory před emisemi negativního EMF na primárním vinutí pulzního transformátoru T1. Transformátor T1 je hotový nízkofrekvenční výkonový transformátor o jmenovitém výkonu 100W s jedním primárním vinutím na 220V a sekundárním vinutím na 18V s odbočkou ze středu. Vyzkoušet můžete i transformátor se sekundárním vinutím 12V se středovou odbočkou nebo 24V se středovou odbočkou. Ale ve druhém případě se obávám, že výstupní napětí bude o něco nižší než 220V.
Transformátor je zapnutý „zezadu dopředu“, to znamená, že jeho sekundární nízkonapěťové vinutí nyní slouží jako primární a vysokonapěťové primární vinutí slouží jako sekundární.
Po připojení zátěže a multimetru nastavte pomocí rezistoru R4 napětí na zátěži na 220V.” Mnoho obvodů postavených na TL494, TL594 atd. má přes všechny své výhody často jednu podstatnou nevýhodu. Pokud se nepostaráte o správné nastavení „mrtvého času“ IC (ve výše uvedeném schématu – s rezistorem R4), bude mít napětí na výstupu převodníků tvar blízký tvaru meandru se všemi následné důsledky. Navíc žádné další tlumivky, stejně jako kondenzátory v sekundárním vinutí transformátoru, nepovedou k významnému výsledku! Ale milý soudruhu A.P. Semyan nás ve své knize „500 Circuits for Radio Amateurs“ potěšil originálním návrhem obvodu s vytvořením modifikované sinusovky pomocí digitálního mikroobvodu 561IE8 (obr. 4).
Obr Schéma pulzního měniče napětí na IC 561IE8 Na prvcích DD1.1, DD1.2 je osazen hlavní oscilátor s frekvencí 500 Hz. Dělič na DD2 generuje dvě pulzní sekvence s frekvencí 50 Hz s fázemi posunutými o 180° pro ovládání výkonových spínačů VT1 a VT2 push-pull měniče. Aby se zabránilo spínacím proudům mezi vypnutím jednoho spínače a zapnutím druhého, existuje „mrtvá zóna“ rovnající se 10 % trvání periody. Když je na vstup „Lock“ přivedena vysoká úroveň (logická „1“), obě tlačítka výstupu jsou uzamčena.
Výstupní výkon měniče je omezen výkonem výkonového transformátoru T1 a maximálním přípustným proudem výstupních tranzistorů.
Transformační koeficient výkonového transformátoru Kt = 20. Jako výstupní tranzistory jsou vhodné IRFZ034 (15A), IRFZ044 a RG723A (30A), IRFZ046 (50A), IRFP064 (100A). Pro spolehlivost zařízení se doporučuje mít dvojnásobnou proudovou rezervu a trojnásobnou napěťovou rezervu. Silové obvody by měly být co nejkratší a vyrobeny z vodičů příslušného průřezu. Vytváření převodníků s čistou sinusovkou 50 Hz obvykle zahrnuje použití mikrokontrolérových gadgetů, což činí úvahy o této problematice (pro nás udatné elektrotechniky) tak jednoduché a nevhodné v rámci tohoto článku.
 |  |
Když už mluvíme o transformaci elektrické energie, můžeme si vzpomenout na různé transformátory, generátory, napájecí zdroje pro různé domácí spotřebiče, nabíječky pro elektronická zařízení, svařovací invertory a dokonce i jaderné elektrárny. Ve všech případech se elektrická energie přeměňuje v té či oné formě. Můžeme říci, že v každodenním životě jsme obklopeni různými typy elektrických měničů a je obtížné si představit jejich úplnou absenci v moderním světě. DC-DC měniče se v posledních dvaceti letech zvláště rozšířily. Je to dáno rychlým rozvojem polovodičového průmyslu a elektroniky obecně. Vysokofrekvenční pulsní měniče téměř nahradily napájecí zdroje nízkofrekvenčními transformátory z trhu, které dnes najdete pouze ve starých televizorech a jiných vintage zařízeních nebo v některých moderních audio zesilovačích. 
Vysokofrekvenční transformátor (nebo induktor) má podstatně menší rozměry než nízkofrekvenční transformátor na železe, určený pro provoz ze sítě 50-60 Hz, proto jsou spínané zdroje tak kompaktní. Tak či onak, stejnosměrné měniče napětí stále obsahují ve své konstrukci transformátor (nebo induktor), ale není to vůbec stejný těžký a hlučný transformátor. Nabídka moderních DC-DC měničů (tak se jmenují DC-DC měniče) je poměrně široká. Podívejme se blíže na to, co přesně jsou DC-DC měniče. 
1. Miniaturní nastavitelný převodník Tento malý převodník o rozměrech 43 mm x 21 mm a další podobné modely stojí na čínských obchodních platformách od jednoho dolaru. Tato instance běží na čipu LM2596 a její výstupní parametry lze upravit. Vstup je napájen konstantním napětím v rozsahu od 4,5 do 40 voltů a výstupem je konstantní napětí od 1,3 do 35 voltů. Maximální proud, který lze z tohoto převodníku získat, jsou 3 ampéry, v tomto případě je však vyžadován radiátor, pokud je převodník použit bez radiátoru, průměrný proud by neměl překročit 2 ampéry. Účinnost takového převodníku může dosáhnout 92%. 
Tento převodník je sestaven podle topologie převodníku step-down (buck) a na desce jsou viditelné všechny jeho hlavní součásti: vstupní a výstupní kondenzátory, induktor, Schottkyho dioda, seřizovací odpor a samotný mikroobvod v TO-263-5 balík. Výše uvedené schéma zapojení neukazuje nastavovací odpor, ale na desce je jeden. Bez tohoto rezistoru nebude obvod produkovat více než 5 voltů na výstupu, pokud je však zpětná vazba odebírána nikoli přímo z výstupního kondenzátoru filtru, ale přes dělič napětí, který je zde sestaven pomocí tohoto nastavovacího rezistoru, může výrazně rozšířit rozsah výstupních napětí, což je implementováno na této desce. 
Rozsah použití těchto převodníků je omezen pouze představivostí vývojáře. To zahrnuje napájení LED diod, nabíjení různých přenosných zařízení a mnoho dalšího. Existují také boost konvertory tohoto typu, vyrobené podle topologie step-up (boost) konvertoru. 
Zobrazený obrázek (červená deska) je regulovaný boost konvertor s maximálním výkonem až 150 wattů (vyžaduje dodatečné chlazení), který může napájet 10 až 30 voltů a vydávat 12 až 35 voltů. Stejně jako v předchozím příkladu má tento převodník na výstupu nastavovací odpor, který je zodpovědný za získání požadované hodnoty napětí na výstupu. Ovládací čip je umístěn na zadní straně desky. Samotná deska má rozměry 65 mm x 35 mm. Náklady na takový převodník jsou 3krát vyšší než v předchozím příkladu. 
2. Vodotěsný napájecí zdroj Tento napájecí zdroj má odolné tvarované vodotěsné pouzdro naplněné epoxidovou směsí, což umožňuje jeho použití jak při přepravě, tak s jakýmkoli jiným zařízením, kde je vyžadována spolehlivost a bezpečnost. Převodník má ochranu proti podpětí, přepětí, zkratu a přetížení. Rozsah vstupního napětí u různých modelů je velmi široký a v tomto příkladu od 9 do 24 voltů, zatímco na výstupu dostaneme 24 voltů s maximálním proudem 5 ampérů (v tomto příkladu). Velikost pouzdra na fotografii je 75 mm x 75 mm, výška 31 mm. Náklady na takové měniče jsou asi 10 – 50 dolarů v závislosti na výkonu. Převodníky tohoto typu jsou vyráběny pro výkon od 15 do 360 wattů, pro vstupní napětí do 60 voltů a výstupní napětí od 5 do 48 voltů. Jsou také zcela běžné na mnoha obchodních platformách. 
3. DC spínaný zdroj v pouzdře Typicky jsou tyto napájecí zdroje vyráběny podle obvodu pulsního měniče typu flyback, push-pull nebo polovičního můstku. Přicházejí se vstupním napětím od 19 do 72 voltů nebo vyšším a výstupní napětí je obvykle od 5 do 24 voltů. Výkon měničů tohoto typu může dosáhnout 1000 wattů. Rozměry pouzdra od 78 mm x 51 mm x 28 mm do 295 mm x 127 mm x 41 mm. Takové napájecí zdroje vyrábí mnoho výrobců a jejich cena může dosáhnout několika stovek dolarů. Poměrně často se takové bloky používají k napájení LED pásků. Mají schopnost jemně upravovat výstupní napětí a mají ochranu proti přetížení. 
Na trhu jsou podobné modely měničů napájených přímo ze sítě AC, nazývané měniče AC-DC, ale tam je síťové napětí stejně nejprve usměrněno, filtrováno, tedy konstantní, a teprve poté převedeno standardní vysokofrekvenční konverzí. a usměrnění na jinou úroveň stejnosměrného napětí, nižší, to znamená, že je opět použit modul DC-DC měniče. 
Na rozdíl od jiných měničů mají měniče napájené střídavou sítí nutně galvanické oddělení sekundárního vinutí vysokofrekvenčního pulzního transformátoru od primárního. Zpětnovazební obvod v takových blocích je zpravidla odpojen pomocí optočlenu. Abychom byli spravedliví, je třeba poznamenat, že nízkovýkonové jednotky tohoto typu jsou k dispozici i ve verzích s otevřeným rámem. 
4. DC-DC převodník pro osazení PCB Tyto miniaturní napájecí zdroje se pohybují od 0,25 do 100 wattů. Umožňují rozsahy vstupního napětí: 3-3,6V, 4,5-9V, 9-18V, 13-16,6V, 9-36V, 18-36V, 18-72V, 36-72V a 36-75V. V závislosti na výrobci se rozsahy napájecího napětí mohou lišit. Některé převodníky umožňují upravit výstupní napětí a uvést jednotku do pohotovostního režimu. Standardní rozsah výstupních napětí bloku je: 5V, 12V, 15V. DC-DC měniče pro montáž na PCB mají elektricky silnou izolaci (1500 V) a maximální přípustná teplota může dosáhnout 90 stupňů Celsia. 3-wattové měniče mají největší zájem vývojářů. Náklady na takové převodníky se pohybují od jednotek do desítek dolarů. U všech moderních průmyslových pulzních DC-DC měničů je pracovní frekvence nad 50 kHz a dosahuje 300 kHz. Toto tvrzení platí pro pulsní transformátory a feritové tlumivky, protože pro transformátory a tlumivky použité v popsaných měničích se všude používají feritová jádra. Průmyslově vyráběné specializované integrované obvody pro pulzní měniče mají velmi často striktně stanovenou frekvenci, která je vždy nad 50 kHz. Pokud je použit PWM regulátor, pak je odpovídající frekvence nastavena externími komponenty. Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře