źródła prądu.

Kot Adam
Kl. III TE
ŹRÓDŁA PRĄDU.
Zasilacz jest urządzeniem dostarczającym energii elektrycznej układowi
elektronicznemu. Energia ta powinna mieć określone parametry, tzn. określone
napięcie, moc i częstotliwość. Prąd pobierany przez układ elektroniczny ma zmienną
wartość zależną od aktualnego poboru mocy. Najczęściej urządzenia elektroniczne
wymagają prądu stałego stabilizowanym napięciu.
Rys.1 Klasyfikacja elektronicznych urządzeń zasilających
Do zmiany prądu przemiennego (AC- ang. Alternative Current) na prąd
jednokierunkowy (DC- ang. Direct Current) służą prostowniki: diodowe (
o nieregularnym napięciu) lub tyrystorowe ( o regularnym napięciu).
Zasilacze czerpią energie z sieci elektrycznej (np. 50 Hz /220 V)
lub z baterii (akumulatorów lub ogniw galwanicznych) i przystosowują jej
parametry do potrzeb zasilanego układu elektronicznego. Napięcie sieci
energetycznej zgodnie z przepisami może się zmieniać w granicach od –
10% do +5% napięcia normalnego. Napięcie baterii natomiast maleje w
miarę oddawania przez nią energię. Z punktu widzenia potrzeb układów
elektronicznych, zmiany napięcia zasilania są najważniejszą wadą
wymienionych źródeł energii, ponieważ układy te pracują najlepiej przy
stałym napięciu zasilającym- niezależnym od czasu i od pobieranego
prądu. Wadę tę eliminuje się, wprowadzając do układu zasilacza
stabilizator. Utrzymuje on stałą wartość napięcia zasilania niezależnie od
wahań napięcia sieci lub napięcia baterii zasilającej.
Najprostszymi stabilizatorami są stabilizatory ciągłe. Ich zasada
działania polega na obcinaniu nadwyżki napięcia wyjściowego, zatem
sprawność stabilizatorów ciągłych jest niewielka, a napięcie wyjściowe
(stabilizowane) jest mniejsze od najmniejszego napięcia wejściowego.
Wad tych nie mają stabilizatory impulsowe, których sprawność może
przekraczać 90%.
Działanie stabilizatorów impulsowych polega na kluczowanym
(impulsowym) doprowadzaniu energii do elementów reaktancyjnych:
cewki, transformatora lub kondensatora (w pierwszej fazie kluczowania).
W drugiej fazie kluczowania, element reaktancyjny przekazuje
zmagazynowaną energię na wyjście stabilizatora impulsowego. Średnia
wartość napięcia wyjściowego zależy od współczynnika wypełnienia
impulsów kluczujących, wykorzystywanego jako czynnik regulacyjny.
Elementami przełączającymi (kluczującymi) mogą być tranzystory lub
tyrystory. Częstotliwość kluczowania wynosi od 50 Hz do 2 MHz- im jest
ona wyższa, tym mniejsze są wymiary i masa zasilacza.
Przetwornice służą do zmiany napięcia i częstotliwości zasilania.
Działają one na zasadzie przerywania prądu lub napięcia
doprowadzonego do cewki., transformatora lub kondensatora.
Przetwornice tranzystorowe stosuje się w zakresie mocy do kilkunastu
kilowatów, a przetwornice tyrystorowe w zakresie wyższych mocy (np.
kilku megawatów). W technice dużych mocy stosuje się: przetwornice
DC/AC, nazywane falownikami, i przekształtniki tyrystorowe AC/AC,
zmieniające częstotliwość napięcia zasilającego (cyklokonwertery),
używane np. do zasilania silników prądu zmiennego sterowanych
częstotliwościowo.
Falownik różni się od prostownika tym, że może przekazywać
energię nie tylko od źródła do odbiornika (jak prostownik), ale i od
odbiornika do źródła, – gdy odbiornik (np. koło zamachowe, winda lub
inne urządzenie napędzane silnikiem elektrycznym zasilanym przez
falownik) zmagazynował za dużo energii.
W przenośnych urządzeniach elektronicznych (telefonach
komórkowych, komputerach, radioodbiornikach, odtwarzaczach CD itp.)
źródłami energii są akumulatory lub ogniwa galwaniczne. Bardzo często
baterie zasilające zwłaszcza małe urządzenia przenośne mają za niskie
napięcie – około 1÷3 V, a zasilane układy elektroniczne potrzebują kilku
napięć: nieco wyższych, o przeciwnej polaryzacji i stabilizowanych. W
takich sytuacjach stosuje się przetwornice impulsowe DC/DC (prąd stały
/ prąd stały).Przetwarzają one energię baterii o niskim napięciu w
energię o wyższym stabilizowanym napięciu. Przetwornice takie mogą
być indukcyjne lub pojemnościowe.
Najogólniej rzecz ujmując, prąd czerpany z baterii przez
przetwornicę, jest przerywany przez tranzystor (z częstotliwością od kilku
do kilkuset kiloherców) i przetwarzany przez układ z cewką,
transformatorem lub kondensatorem, a następnie prostowany i
filtrowany. Do podwyższania napięcia w przetwornicach indukcyjnych
wykorzystuje się przepięcia powstające przy przerywaniu prądu w
cewce. W przetwornicach transformatorowych natomiast, uzyskuje się to
dzięki zastosowaniu podwyższającej przekładni transformatora.
W urządzeniach, których prąd obciążenia dochodzi do kilkuset
miliamperów stosuje się obecnie przetwornice pojemnościowe
produkowane w postaci układów scalonych pod nazwą pomp
ładunkowych (ang. Charge Pumps), które nie wymagają stosowania
jakichkolwiek cewek. W najnowszych konstrukcjach pomp ładunkowych,
nawet kondensatory biorące udział w przenoszeniu energii są
zintegrowane z układami przełączającymi i stabilizującymi napięcie.
Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu bardzo wielkich częstotliwości
przełączeń (rzędu setek megaherców), przy których pojemności
kondensatorów mogą być małe.
Najważniejszą sprawą przy konstruowaniu przetwornic jest
uzyskanie jak największej sprawności. W tym celu element przełączający
powinien powodować jak najmniejsze straty energii, a więc tranzystory
przełączające powinny charakteryzować się małym napięciem
przewodzenia i małymi stratami przełączania. Cewki lub transformatory
stosowane w przetwornicach mają rdzenie ferrytowe, a kondensatory –
mały współczynnik strat (tg ä). Gabaryty przetwornic przy tej samej mocy
zależą od częstotliwości przełączania – są tym mniejsze, im wyższa jest
ta częstotliwość.
W stacjonarnych urządzeniach elektronicznych są stosowane
zasilacze, które pobierają energię z sieci energetycznej prądu
przemiennego o napięciu np. 220 V i częstotliwości 50 Hz. Zasilacze
sieciowe przetwarzają energię prądu przemiennego w energię prądu
stałego o takim napięciu, jakie jest potrzebne do zasilania układu
elektronicznego. Niektóre układy elektroniczne potrzebują kilku napięć
zasilania.
Do zasilania układów tranzystorowych i układów scalonych
wystarczają niskie napięcia o wartościach kilku lub kilkunastu woltów i
stosunkowo niewielkiej mocy. Na przykład zasilacz współczesnego
komputera (PC) wyposażonego w urządzenia multimedialne (urządzenia
bardzo złożonego) jest zasilaczem sieciowym, ma moc ok. 200W i daje
napięcia o wartościach: 5V, +12V i –12V.
Zasilacze układów lampowych (np. w telewizorach, oscyloskopach
lub kuchniach mikrofalowych) są urządzeniami wysokonapięciowymi. Do
zasilania obwodów anodowych lamp elektronowych są potrzebne
napięcia stałe o wartościach kilkudziesięciu lub kilkuset woltów w
zależności od wielkości i rodzaju lamp (lampa oscyloskopowa, kineskop
lub magnetofon).
Zasilacze układów lampowych dostarczają również mocy
potrzebnej do żarzenia lamp. Do uzyskania żarzenia wystarcza napięcie
przemienne nie wyprostowane o wartości 4; 6,3 lub 12V (w zależności
od typu lampy), pobierane bezpośrednio z transformatora sieciowego
obniżającego napięcie. Włókna żarzenia lamp należy zabezpieczyć
przed przepaleniem w chwili włączenia układu do sieci, ponieważ w
stanie zimnym mają one bardzo małą rezystancję – nawet
dziesięciokrotnie mniejszą niż w stanie gorącym. Elementem
zabezpieczającym jest termistor NTC włączony szeregowo w obwód
żarzenia. Rezystencja termistora zimnego jest duża, a gorącego – mała.
Dzięki temu ogranicza on prąd żarzenia lampy w chwili włączenia
napięcia żarzenia, a wraz z nagrzewaniem się i nagrzewaniem lampy,
kompensuje zwiększenie rezystancji włókna żarzenia przez zmniejszenie
własnej rezystancji. W ten sposób prąd żarzenia jest bliski wartości
znamionowej przez cały czas, począwszy od chwili włączenia napięcia
żarzenia.
Najprostszymi zasilaczami układów elektronicznych są zasilacze
bateryjne. W miarę oddawania energii przez baterię, jej napięcie się
zmniejsza, a rezystancja zewnętrzna zwiększa. Może to doprowadzić do
przerwania pracy układów zasilanych. W celu przeciwdziałania takiej
sytuacji stosuje się stabilizację napięcia zasilania połączoną z
impulsowym przetwarzaniem energii baterii.
Wyjścia zasilaczy muszą być zbocznikowane kondensatorami o
dużej pojemności. Zmniejszają one rezystancje wewnętrzną zasilaczy
dla prądu przemiennego, powodując tzw. odprzęganie zasilacza dla
składowej zmiennej prądu obciążenia i˚. Kondensatory te zapobiegają
wystąpieniu dodatniego sprzężenia zwrotnego na rezystancji
wewnętrznej zasilacza przy wspólnym zasilaniu kilku stopni
wzmacniacza oraz niepotrzebnym stratom mocy (na rezystancji
wewnętrznej zasilacza) od składowej zmiennej i sygnałów
kształtowanych w układzie zasilanym. Ze względu na istnienie
stosunkowo dużej indukcyjności pasożytniczej kondensatorów
elektrolitycznych C1, przy bocznikowaniu wejść zasilacza, łączy się je
równolegle z kondensatorami „bezindukcyjnymi” C2 (np.
styrofleksowymi) o pojemnościach 10÷ 100 nF w celu zmniejszenia
impedancji bloku dla sygnałów w.cz.
Rys.2 Odprzęganie zasilacza dla składowej zmiennej prądu obciążenia i
C2 – kondensator o bardzo małej indukcyjności pasożytniczej, us –
napięcie wyjściowe zasilacza.
Zasilacze sieciowe prądu stałego (AC/DC) są budowane według
dwóch zasad:
1)
z transformatorem sieciowym,
2)
z transformatorem wielkiej częstotliwości (w.cz.).
W zasilaczu z transformatorem sieciowym największym i
najcięższym urządzeniem jest transformator 1 (50 Hz) – nawet przy
kilkunastu watach mocy zasilacza. Przetwarza on energię sieci o
napięciu znormalizowanym u w energię o napięciu u1. Jego rdzeń jest
wykonany ze stali krzemowej lub analogicznego materiału
magnetycznego m.cz. Napięcie przemienne u1 jest prostowane w
prostowniku 2, a którego wyjście otrzymuje się napięcie tętniące u2
złożone z dwu składowych: składowej stałej U3, równej wartości średniej
napięcia u2, i składowej zmiennej u2 – U3, zwanej tętnieniami. Napięcie
tętnień (u2 – U3) ma dużą amplitudę U3. Ze względu na tętnienia, u2 nie
nadaje się do zasilania układów elektronicznych. Wymaga ono
wygładzenia, tj. odfiltrowania tętnień za pomocą filtru
dolnoprzepustowego 3, który zatrzymuje składową zmienną (tętnienia), a
przepuszcza składową stałą.
Na wyjściu filtru otrzymuje się napięcie stałe u3 z niewielkimi
tętnieniami. Wartość średnia U3 tego napięcia waha się w takt
powolnych zmian napięcia sieci. Napięcie u3 zależy ponadto od prądu
obciążenia zasilacza, ponieważ zasilacz jest nieidealnym źródłem
napięcia. Na jego rezystancji wewnętrznej występuje spadek napięcia
spowodowany wzrostem prądu obciążenia. Spadek ten obniża wartość
napięcia u3.
Napięcia u3 można użyć do zasilania układu elektronicznego, jeżeli
nie jest on czuły na wahania napięcia zasilającego. W taki sposób są
zasilane np. radioodbiorniki średniej klasy. W urządzeniach wyższej
klasy, napięcie odfiltrowane należy poddać stabilizacji w układzie 4.
Stabilizatory napięcia 4 mogą działać na zasadzie obcinania
nadwyżki napięcia stałego lub na zasadzie przetwarzania impulsowego
w.cz.
Zasilacze z transformatorem sieciowym i stabilizatorem
obcinającym nadwyżkę napięcia stałego mają małą sprawność, duże
wymiary i stosunkowo dużą masę. Stosuje się je w urządzeniach raczej
małej mocy.
Rys.3 Zasilacze sieciowe prądu stałego: a), b) z transformatorem sieciowym; c), d) z transformatorem w.cz.
BADANIE ŹRÓDEŁ PRĄDU STAŁEGO
Ogniwa elektrochemiczne i akumulatory mają zdolność magazynowania
energii chemicznej, która może być z nich pobrana w postaci energii
elektrycznej.
Ilość zmagazynowanej w ogniwie lub akumulatorze energii jest określona
wielkością zwaną pojemnością elektryczną Q. Pojemność elektryczna
jest mierzona w amperogodzinach (A*h) i określa czas, w jakim można
czerpać ze źródła określony prąd I
Q = It
Pobrane z ogniwa zmagazynowanej w nim energii powoduje
bezpowrotne zużycie ogniwa. Natomiast akumulatory po wyładowaniu
można z powrotem naładować, przepuszczając przez nie prąd
elektryczny. Procesy ładowania (dostarczania energii) i rozładowania
(pobierania energii) dają się przy prawidłowej eksploatacji cyklicznie
powtarzać, co sprawia, że akumulator może pracować przez dłuższy
czas.
Na schemat oznacza się skumulatory i ogniwa w postaci symbolu
przedstawionego na rysunku.
Rys.4 Schematyczne oznaczenia galwanicznego źródła napięcia.
Rezystencja Rw – rezystancja wewnętrzna, reprezentuje rezystancję
elektrolitu, rezystancja elektrod i połączeń oraz oporu spowodowanego
polaryzacją elektrod. Rezystencja wewnętrzna Rw ogniw i akumulatorów
jest wielkością zmienną, zależną od takich czynników jak: temperatura,
prąd obciążenia, stopnia rozładowania źródła. Wartość rezystancji
wewnętrznej akumulatorów jest rzędu milionów, np. dla akumulatorów
kwasowych 1...20 mΩ.
Napięcie między rozwartymi zaciskami ogniw i akumulatorów nazywa się
siłą elektromotoryczną. Siła elektromotoryczna zależy od rodzaju
elektrod i elektrolitu, np. ogniwo Leclanchego zbudowane z płytki
węglowej C otoczonej warstwą dwutlenku manganu MnO2 daje na
elektrodach różnice potencjałów około 1,5 V, natomiast akumulator
kwasowy o elektrodach ołowiowych Pb i PbO2 zanurzonych w wodnym
roztworze kwasu siarkowego H2SO4 daje siłę elektromotoryczną równą
około 2V.
Układ kilku połączonych ogniw lub akumulatorów tworzy baterię.
Połączenie równoległe (rys.5a) stosuje się w celu zwiększenia
pojemności, natomiast połączenie szeregowe (rys.5b) – w celu zwiększenia siły
elektromotorycznej.
Rys.5 Połączenie galwanicznych źródeł napięcia: a) równoległe; b) szeregowe
Rys.6 Podstawowy obwód elektroniczny: źródło napięcia E obciążone rezystorem R.
Ogniwo obciążone rezystorem R tworzy obwód zamknięty (Rys.6), prze który płynie
prąd elektryczny
Różnica potencjałów U na zaciskach ogniwa obciążonego jest mniejsza od siły
elektromotorycznej E o spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej RwI
U = E – RwI
Rys.7 Schematy funkcjonalne zasilaczy: a)prostego; b)z transformatorem; c)impulsowego.
Bibliografia:
1. „Urządzenia elektroniczne”: Andrzej J. Marusak
2. „Pracownia elektryczna”: Marek Pilawski
3. „Podstawy elektroniki”: Barbara Pióro, Marek Pióro