ELN1

ELN                                           

Popíšte blokovú schému analógového zdroja, podrobne sa venujte usmerňovaču, filtru a stabilizátoru napätia. Vysvetlite meranie zaťažovacej charakteristiky zdroja.

Sieťové napájacie zdroje:

Všetky elektronické zariadenia potrebujú pre svoju činnosť elektrickú energiu. Táto energia je dodávaná z napájacích zdrojov napätia a prúdu. Prevažná väčšina elektronických zariadení potrebuje pre svoju činnosť zdroj jednosmerného napätia a prúdu. Prenosné elektronické zariadenia sa napájajú z batérií a to buď z tzv. suchých článkov ( nazývaných tiež primárne zdroje energie ) alebo z akumulátorov ( nazývaných tiež sekundárne zdroje energie.) Zariadenia, ktoré nie sú určené na prenášanie, využívajú pre zabezpečenie energie pre svoju činnosť energetickú rozvodnú sieť striedavého napätia a prúdu ( u nás 220 V / 50 Hz.) Je prirodzené, že na to, aby bolo možné napájať elektronické zariadenia z energetickej rozvodnej siete je potrebné striedavé napätie tejto siete upraviť nie len jeho veľkosťou, ale ho aj premeniť na jednosmerné napätie. Na tento účel nám slúžia sieťové napájacie zdroje. Jednoduchá bloková schéma sieťového napájacieho zdroja je na nasledujúcom obrázku.

Transformátor:

Jeho úlohou je meniť veľkosť napätia, prúdu a impedancie (dynamický odpor). Jeho druhou úlohou je galvanicky oddeliť primárny obvod od sekundárneho.

Usmerňovač:

Súčasťou napájacích zdrojov je aj usmerňovač, ktorého úlohou je zmeniť striedavé napätie na jednosmerné. Na tento účel sa využívajú usmerňovacie diódy, ktoré vďaka svojim vlastnostiam prepúšťajú prúd len jedným smerom

Filter:

Je časť napájacieho zdroja, ktorá má za úlohu filtrovať po usmerňovači ešte stále nie konštantné napätie. Má odrezať špičky napätia. Filtre poznáme aktívne a pasívne. Medzi pasívne patria RC, LC, C, CRC.

RC –je najjednoduchší filter, používaný v jednoduchých zapojeniach. Činiteľ vyhladenia tohto filtra je možné vypočítať z hodnôt použitých súčiastok pomocou vzťahov, ktoré nájdeme v odbornej literatúre

Filter zložený z indukčnosti L namiesto rezistora je zložitejší o potrebu navíjať cievku, ale je podstatne účinnejší ako RC filter. Cievka na rozdiel od rezistora uplatní svoj striedavý odpor o veľkosti XL = 2πfL.

Zo vzťahu vyplýva, že pre jednosmerný prúd (f = 0) má teoretická cievka nulový odpor,

pričom pre striedavý prúd (f = 100 Hz pri dvojcestnom usmernení) sa odpor cievky výrazne prejaví.

Stabilizátor:

Jeho úlohou je udržiavať konštantné napätie U na záťaži pri kolísajúcom zdroji.

Rozdelujú sa na:

1.    S pevným výstupným napätím

2.    regulovateľným výstupným napätím

-       diskrétnymi polovodičovými súčiastkami

-       s integrovanými obvodmi. Najpresnejšie sú stabilizátory vytvorené pomocou integrovaných obvodov. Používa sa integrovaný obvod IO MAA 723.

Parametrické stabilizátory

využívajú ku svojej činnosti priebeh VA charakteristiky nelineárnych prvkov, kde pri veľkej zmene prúdu nastáva len malá zmena napätia (tlejivky, stabilizačné, alebo Zenerove diódy).

SPÄTNOVÄZBOVÉ STABILIZÁTORY

Ich princíp spočíva v spätnom pôsobení výstupného stabilizovaného napätia na regulačný prvok stabilizátora, ktorým spravidla býva tranzistor. Zenerova stabilizačná dióda slúži ako zdroj konštantného napätia pre bázu B tranzistora. Dióda je zaťažená len malým prúdom báze a preto je napätie UZ veľmi stabilné.

Približne platí UZ = U2.

Ak poklesne U2, zväčší sa tým napätie medzi B a E a tranzistor sa viac otvorí, čo má za následok zväčšenie U2 (jedná sa o zápornú spätnú väzbu). Potenciál bázy ostáva pomocou zenerovej diódy na pôvodnej hodnote, potenciál emitora sa zníži, čím sa celkové napätie medzi B-E zvýši.

 

Ako z obrázku vidno, celý sieťový napájací zdroj môžeme rozdeliť na niekoľko blokov, z ktorých každý má svoje špecifické vlastnosti a zároveň výrazným spôsobom ovplyvňuje vlastnosti jednosmerného napájacieho zdroja ako celku.

Prvým blokom v spomínanom reťazci je transformátor. Ten zabezpečuje zmenu veľkosti napätia energetickej rozvodnej siete 220V/50Hz na prijateľnú hodnotu potrebnú pre napájanie daného elektronického zariadenia. Vlastnostiam a návrhu transformátora sa v tejto téme nebudeme venovať, pretože touto problematikou sa zaoberá predmet “Silnoprúdové zariadenia”.

Druhým blokom v reťazci je usmerňovač. Ten je pripojený k sekundárnemu vinutiu sieťového transformátora a je realizovaný v súčasnosti výhradne kremíkovými usmerňovacími diódami ( voľakedy to boli usmerňovacie selénové články alebo germániové usmerňovacie diódy, ktorých vlastnosti boli výrazne horšie ako vlastnosti dnešných kremíkových diód.) V závislosti od toho, koľkými usmerňovacími cestami prechádza prúd získaný na sekundárnej strane transformátora, poznáme jednocestné, dvojcestné a v silnoprúdovej elektrotechnike aj viaccestné usmerňovače. Jednocestné usmerňovače využívajú na usmernenie striedavého napätia a prúdu jednu usmerňovaciu diódu. Dvojcestné usmerňovače delíme na dvojcestné usmerňovače so súmerným sekundárnym vinutím transformátora ( v praxi označovaný skrátene len ako “Dvojcestný usmerňovač”), tie používajú dve usmerňovacie diódy a dvojcestné usmerňovače v mostíkovom zapojení, tie používajú na usmernenie štyri usmerňovacie diódy ( mostíkové zapojenie diód voláme tiež “Graetzov mostík.”)

  Pretože diódy umožňujú prietok prúdu len v jednom smere, má usmernené napätie Uo len jednu polaritu. Činnosť diód a časový priebeh usmerneného napätia a  prúdu závisí na konkrétnom zapojení usmerňovača a  na odoberanom prúde. Ako vidno na obrázku vyššie, za usmerňovačom získavame síce jednosmerné, ale pulzujúce napätie a prúd. Jeho kmitočet je pri jednocestnom usmernení rovný frekvencii energetickej rozvodnej siete, t.j. 50 Hz a pri dvojcestnom usmernení je rovný dvojnásobnej frekvencii energetickej rozvodnej siete, t.j. 100 Hz. Takéto pulzujúce jednosmerné napätie nie je vhodné pre napájanie väčšiny elektronických zariadení ( takéto pulzujúce napätie môžeme použiť napríklad pre napájanie jednoduchých stmievačov realizovaných tyristormi.)

·         Práve z hore uvedeného dôvodu sa za blok usmerňovača zaraďuje tretí blok, blok filtrov. Úlohou filtrov je vyhladiť toto pulzujúce napätie a minimalizovať prítomnosť prvej harmonickej pulzujúceho napätia a prúdu. V úlohe filtrov môžeme použiť filtračný kondenzátor, alebo dolnopriepustný filter tvorený integračným článkom RC alebo LC. Na výstupe filtra však nedostávame úplne vyhladené jednosmerné napätie, ale na tomto napätí je nasuperponované určité malé striedavé napätie – napätie zvlnenia Uzv. Veľkosť tohto napätia zvlnenia Uzv závisí od kvality filtra a od odoberaného prúdu.

·         Aby sme získali jednosmerné napätie vhodné na napájanie vyššie spomínaných obvodov, musíme za blok filtrov zaradiť ešte blok stabilizátora napätia alebo prúdu. Stabilizátor má zaistiť v medziach technických možností a podľa požiadaviek nemennosť výstupného napätia alebo prúdu pri rôznom odbere prúdu a pri kolísaní usmerneného zvlneného napätia na výstupe bloku filtrov. Najrozšírenejšie stabilizátory napätia a prúdu sú sériové stabilizátory so spojitou reguláciou, no v súčasnosti sa stále viac začínajú používať energeticky výhodnejšie stabilizátory s nespojitou reguláciou.

Jednocestný usmerňovač s odporovou záťažou.

Ako z obrázku vidno, usmerňovacím prvkom je dióda D. Touto diódou tečie prúd i_F len vtedy, keď je na anóde diódy vyššie napätie ako na jej katóde, t.j. keď v bode a  pôsobí kladná polvlna napätia u₂. Vtedy je dióda D otvorená ( je polarizovaná v priamom smere.) V čase, keď je dióda D otvorená tečie záťažou R_Z usmernený, jednosmerný pulzujúci prúd i₀, ktorý vytvára na tejto záťaži jednosmerné pulzujúce napätie u₀.

Mostíkové zapojenie usmerňovača s odporovou záťažou.

Mostíkové zapojenie usmerňovača je typom dvojcestného usmerňovača, ktorý má oproti predchádzajúcemu typu jednoduchší transformátor – s jedným sekundárnym vinutím. Vyžaduje však použitie štyroch usmerňovacích diód, ktoré sú však menej napäťovo namáhané ako v predchádzajúcom type dvojcestného usmerňovača, takže je možné použiť diódy s menším prípustným záverným napätím URM.

     Zapojenie mostíkového usmerňovača s odporovou záťažou aj s príslušnými priebehmi je nakreslené na obrázkoch.

Ako zo schémy usmerňovača vidno, žiaden bod sekundárneho vinutia transformátora, t.j. ani bod a  ani bod b, nie je spojený s elektrickou zemou, bodom nulového potenciálu výstupného obvodu usmerňovača tak, ako to je u predchádzajúcich typov usmerňovačov. Vďaka mostíkovému diódovému usmerňovaču sa k elektrickej zemi výstupného obvodu pripojí vždy ten bod sekundárneho vinutia transformátora, ktorý má nižší potenciál, teda zápornejší.

Schému by sme potom mohli prekresliť nasledovne :

Vysvetlenie činnosti mostíkového usmerňovača na základe tu nakreslenej schémy je nasledovné :

            Pokiaľ je v bode a  kladnejší potenciál ako v bode b , je medzi bodom a  a elektrickou zemou napätie u₂ a prúd i_F tečie cez diódu D₁ a záťaž R_Z do elektrickej zemi. Samozrejme, keďže prúd v obvode musí vtekať do druhého uzla skutočného zdroja ( u nás je to transformátor ), musí prúd i_F ešte tiecť cez diódu D₂ do bodu b. Bod b je vďaka otvorenej dióde D₂ spojený s elektrickou zemou výstupného obvodu usmerňovača.

Pokiaľ je v bode b  kladnejší potenciál ako v bode a , je medzi bodom b  a elektrickou zemou napätie u₂’ a prúd i_F‘ tečie cez diódu D₃ a záťaž R_Z do elektrickej zemi. Podobne aj tu tečie prúd i_F’ ešte cez diódu D₄ do bodu a. Bod a je vďaka otvorenej dióde D₄ spojený s elektrickou zemou výstupného obvodu usmerňovača.

             Na záťaži vzniká zodpovedajúce pulzujúce napätie, podobne ako tomu bolo u dvojcestného usmerňovača popísaného vyššie. Maximálna hodnota tohto napätia je len o niečo menšia ako u dvojcestného usmerňovača, pretože sú v činnosti vždy dve diódy v sérii ( teda úbytok napätia na diódach je dvojnásobný ) a aj z tohto dôvodu má usmerňovač väčší vnútorný odpor.

Poznámka :

IZ

U0

US

      Na tomto mieste je potrebné poznamenať, že priebeh napätia u2 ( kreslený čiernou ) na grafe priebehov obvodových veličín nakreslený vyššie, je priebeh napätie v bode a  vztiahnutý k bodu s nulovým potenciálom, t.j. u nás k bodu b. Tento priebeh nie celkom dobre korešponduje so skutočnosťou, pretože pri mostíkovom usmerňovači žiaden bod, ani bod a ani bod b sekundárneho vinutia transformátora nie je bratý ako vzťažný, t.j. s nulovým potenciálom. Za bod nulového potenciálu je bratá len elektrická zem výstupného obvodu usmerňovača, tak ako bolo povedané vyššie. Pre činnosť mostíkového usmerňovača sa využíva striedanie kladného a záporného pólu napätia medzi bodmi a a b.

Zaťažovacia charakteristika zdroja: