1. Wstęp teoretyczny - Politechnika Rzeszowska

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
Laboratorium Podstaw Elektroniki
Układy zasilające.
1. Wstęp teoretyczny
Zasilacze są jednym z podstawowych elementów układów elektronicznych.
Służą one do dopasowania energii elektrycznej niezbędnej do zasilania urządzeń. Ze
względu na zasadę działania możemy podzielić je na:

transformatorowe, w których elementem dopasowującym jest transformator,

beztransformatorowe, które wykorzystują do dopasowania napięcia inne elementy
elektroniczne.
Ze względu na jakość napięcia na wyjściu rozróżnia się zasilacze stabilizowane
i niestabilizowane.
1.1 Zasilacze transformatorowe
Podstawowym elementem zasilacza transformatorowego jest... transformator.
Jego działanie polega na zmianie napięcia przemiennego (sinusoidalnie zmiennego) na
stałe. Jego budowa to dwie cewki nawinięte na wspólnym rdzeniu (są to tzw. uzwojenia
pierwotne i wtórne). Przepływu prądu w uzwojeniu pierwotnym wytwarza pole
magnetyczne, które przez rdzeń indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym.
W ten sposób przed wykres napięcia przed I za transformatorem wygląda następująco.
250
200
150
100
Napięcie [V]
50
0
-50
-100
-150
-200
-250
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Czas [ms]
Jedną z ważnych korzyści takiego sposobu zmiany napięcia jest zapewnienie przez
transformator separacji galwanicznej. Polega ona na oddzieleniu elektrycznym dwóch
obwodów. W tym wypadku energia przekazywana jest za pomocą pola magnetycznego.
Zapewnienie takowej jest o tyle ważne, że w przypadku przepięcia po stronie pierwotnej
istnieje cień szansy, że nie zostaną uszkodzone układy elektryczne po stronie wtórnej.
Kolejnym etapem jest w przypadku zasilaczy zamieniających z napięcia
przemiennego na napięcie stałe jest skierowanie przepływu prądu tak by był on możliwy
tylko w jednym kierunku. Zabieg taki nazywa się prostowaniem, a wykonać go można za
pomocą prostownika półokresowego lub pełnookresowego.
Prostownik półokresowy jest niczym innym jak diodą wpiętą szeregowo
w obwód uzwojenia wtórnego.
W takim przypadku napięcie wyjściowe przyjmie postać jak na rysunku
10
9
8
7
Napięcie [V]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Czas [ms]
Mimo prostoty rozwiązania posiada on jedną zasadniczą wadę. Jak wiadomo dioda ma
niską rezystancję w kierunku przewodzenia i wysoką w kierunku zaporowym (w analogii
hydraulicznej można ją sobie wyobrazić jako zawór jednokierunkowy). Energia połówki
okresu, która będzie próbowała płynąć w kierunku zaporowym, będzie zatem tracona
i wydalana z układu w postaci ciepła.
Korzystniejszym z punktu widzenia energetycznego jest zastosowanie mostka
Graetza. To urządzenie o tajemniczej nazwie jest niczym innym jak połączeniem czterech
diod w następujący sposób.
Schematycznie pokazany przepływ prądu przez mostek wygląda następująco
Aby uzmysłowić sobie w jaki sposób płynie prąd w obwodzie śledzimy przepływ przez
mostek. Dodatnia połówka okresu (czerwone strzałki), płynie przez diodę D2 następnie
przez obciążenie, diodę D3 do źródła, którym jest transformator. Połówka ujemna
(niebieskie strzałki), płynie przez diodę D4, następnie przez obciążenie, diodę D1 i wraca
do źródła. Jak łatwo zauważyć prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku.
(Dla laików w temacie prąd może płynąć tylko w kierunku wskazywanym przez “dzióbek”
diody, a nie może w kierunku od kreseczki). Ważne: Przy budowie mostka pamiętamy, że
wszystkie diody skierowane są na schemacie w jedną stronę. (Rysujemy kwadrat pod
kątem 45 stopni a potem diody jak Egipcjanie na hieroglifach).
Za mostkiem Graetza wykres napięcia wygląda jak wartość bezwzględna
z sinusa.
10
9
8
7
Napięcie [V]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Czas [ms]
Napięcie już w przybliżeniu przypomina stałe, mimo że trochę pulsuje. Jednym ze
sposobów zmniejszenia tętnienia jest zastosowanie kondensatora. Kondensator jest
biernym
elementem elektronicznym
zbudowany z dwóch
okładzin
oddzielonych
dielektrykiem. Głównym jego parametrem jest pojemność, czyli zdolność do gromadzenia
ładunku. Po wpięciu kondensatora w obwód równolegle (jak na schemacie), będzie się on
ładował w szczytowych wartościach poprzedniego przebiegu, a rozładowywał gdy
przebieg schodzi do zera.
Przebiegi przed i za kondensatorem obrazuje poniższy
rysunek.
Taki układ nazywamy zasilaczem niestabilizowanym. Jeżeli chcemy uzyskać stałą wartość
napięcia musimy rozbudować ten układ o stabilizator.
Ze względu na rodzaj stabilizatora rozróżnia się stabilizatory liniowe
i impulsowe (po ich podłączeniu zasilacz zamienia się odpowiednio w liniowy lub
impulsowy). Schemat zasilacza stabilizowanego wygląda w następujący sposób.
Zasada działania stabilizatora liniowego polega na śledzeniu prądu na wejściu
i takim wysterowaniu elementu czynnego (może nim być tranzystor polowy, lub np.
Lampa) by napięcie na wyjściu było stałe. Wyobrazić to sobie można w następujący
sposób: Pan Henryk, realizator w studiu nagraniowym chce aby dźwięk nagrany przez
zespół miał cały czas takie same natężenie. W momencie kiedy kapela gra za głośno, on
odsuwa mikrofon lub przesuwa potencjometry poszczególnych instrumentów w konsolecie
w dół, a kiedy jest ciszej przybliża mikrofon. Najpopularniejszymi w obecnej chwili
układami zapewniającymi stabilizację liniową, są układy rodziny 78XX (dające napięcie
dodatnie) i 79XX (zapewniające napięcie wyjściowe ujemne), gdzie XX oznacza napięcie
wyjściowe np. 05 – 5V. Mimo wielu zalet tak zintegrowanych układów, posiadają one też
pewne niedogodności w stosowaniu. Ponieważ prąd na wejściu i na wyjściu układu jest
taki sam, a zmniejsza się napięcie, to moc strat (różnica napięć wejściowego
i wyjściowego razy prąd) może sięgać kilku do kilkunastu watów. Powoduje to konieczność
zastosowania radiatora w celu zapewnienia układowi poprawnej temperatury pracy.
Ponadto stabilizatory serii 78XXi 79XX potrzebują zasilania o 2V wyższego niż możliwe do
uzyskania napięcie na wyjściu. W wypadku urządzeń zasilanych bateryjnie uniemożliwia to
uzyskanie np. napięcie 5V na wyjściu z czterech baterii paluszków 4*1,5V=6V. W takich
wypadkach można zastosować stabilizatory LDO (Low Drop Output), które mają niski
spadek napięcia na wyjściu. Sprawność stabilizatorów liniowych to ok. 30-40%
w normalnych warunkach pracy.
Stabilizator impulsowy opiera się na innej zasadzie działania. Podczas
śledzenia napięcia na wejściu nie rozprasza on nadmiaru dostarczonej mocy w postaci
ciepła jak stabilizator liniowy. W celu stabilizacji napięcia załącza lub wyłącza tranzystor
kluczujący, w ten sposób, że generowana jest fala PWM (patrz laboratorium sterowanie
silnikami elektrycznymi). W przypadku gdy napięcie na wejściu jest za wysokie, fala będzie
miała niskie wypełnienie, natomiast gdy napięcie będzie niewiele wyższe od napięcia
żądanego fala będzie miała wypełnienie bliskie 100%. Dzięki takiemu rozwiązaniu
sprawność zasilaczy impulsowych sięga od 75-98%. Praktycznym skutkiem tego jest mała
moc rozpraszana w postaci ciepła, a tym samym brak konieczności stosowania radiatora.
W samolocie ma to praktyczny skutek w postaci mniejszej wagi.
Zasilacze impulsowe stosowane są najczęściej do zasilania układów mikroprocesorowych
(ładowarki do komórek, komputery itp.) Ich wadą jest niestety generowany szum. Kiedy
użyjemy takiego zasilacza do aplikacji audio (np. efektu gitarowego) szum dostaje się do
toru audio i słyszymy nieprzyjemne buczenie w głośnikach. Dlatego w aplikacjach gdzie
liczy się niskie szumienie układów stosujemy zasilacze liniowe.
2. Wykonanie zadania
Zadanie polega na sprawności stabilizatorów liniowego i impulsowego.
Pomiarze mocy na wejściu i na wyjściu. W pierwszej kolejności tworzymy obwód prądowy
podłączając do zasilacza niestabilizowanego stabilizator liniowy (ten z radiatorem)
i amperomierze oraz opornicę, następnie wpinamy w obwód woltomierze. Sposób
podłączenia przedstawiony jest na schemacie.
UWAGA Przed podłączeniem zasilania należy zgłosić prowadzącemu gotowość do
przeprowadzenia pomiarów (celu sprawdzenia poprawności połączeń).
Po włączeniu zasilania mierzymy prąd i napięcie na wejściu oraz na wyjściu. Następnie
wyłączamy zasilanie zmieniamy ustawienie woltomierza służącego do pomiaru napięcia
wyjściowego i odczytujemy rezystancję opornicy. Dane zapisujemy w tabeli
Lp. Uwe [V]
Iwe [A]
Uwy [V]
Iwy [A]
R [Ω]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Po przeprowadzeniu pomiarów należy wyłączyć zasilanie, zamienić stabilizator
na impulsowy i powtórzyć zadanie.
W następnej kolejności należy dla poszczególnych punktów pomiarowych obliczyć:

moc wejściową Pwe=Uwe*Iwe

moc wyjściową Pwy=Uwy*Iwy

sprawność η=(Pwy/Pwe)*100%
3. Wykonanie sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawierać :
1.
Tytuł,
2.
Nazwiska osób wykonujących,
3.
Wstęp teoretyczny,
4.
Cel i przebieg ćwiczenia,
5.
Tabele pomiarowe,
6.
Obliczenia,
7.
Wykresy dla zasilacza liniowego:
- napięcia wejściowego od rezystancji
- prądu wejściowego od rezystancji
- mocy wejściowej od rezystancji
- napięcia wyjściowego od rezystancji
- prądu wyjściowego od rezystancji
- mocy wyjściowej od rezystancji
- sprawności w funkcji rezystancji
8.
Wykresy dla zasilacza impulsowego:
- napięcia wejściowego od rezystancji
- prądu wejściowego od rezystancji
- mocy wejściowej od rezystancji
- napięcia wyjściowego od rezystancji
- prądu wyjściowego od rezystancji
- mocy wyjściowej od rezystancji
- sprawności w funkcji rezystancji
9.
Wnioski (Który sprawniejszy, który do czego, gdzie jest wydalana moc strat gdy
sprawność jest mała).