popsat základní díly síťového napájecího zdroje zjednodušeně popsat návrh síťového transformátoru malého výkonu

Síťové napájecí zdroje

1.

Základní elektronické obvody

1.1. Síťové napájecí zdroje Čas ke studiu: 1 hodina Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

• •

popsat základní díly síťového napájecího zdroje zjednodušeně popsat návrh síťového transformátoru malého výkonu

Výklad !

Úvod

Pro napájení elektronických zařízení z rozvodné sítě se používají síťové napájecí zdroje, které slouží k získání stejnosměrných napětí, potřebných pro činnost elektronických obvodů, ze kterých je dané zařízení složeno. Obr. 1.1 ukazuje blokové schéma síťového napájecího zdroje.

Obr. 1.1 Blokové schéma síťového napájecího zdroje

!

Základní části síťového napájecího zdroje

Síťový napájecí zdroj obsahuje tyto základní části : Síťový transformátor (Tr), usměrňovač (U), vyhlazovací filtr (F), stabilizátor napětí (S). Střídavé napětí z rozvodné sítě je pomocí síťového transformátoru sníženo na napětí, vhodné pro získání požadovaného stejnosměrného napětí. K přeměně střídavého napětí na stejnosměrné napětí slouží usměrňovač. Poněvadž výstupní napětí usměrňovače obsahuje střídavou složku, která se může částečně přenášet do užitečného signálu zpracovávaného elektronickými obvody, je k výstupu usměrňovače připojen vyhlazovací filtr, který zmenšuje zvlnění stejnosměrného napětí. Většina elektronických zařízení vyžaduje pro svou činnost konstantní stejnosměrné napětí, jehož hodnota je nezávislá na změnách síťového napětí a změnách zatěžovacího proudu. Proto je za usměrňovač s filtrem připojen stabilizátor napětí.

1


!

Transformátory

Pro napájení usměrňovačů s malým výstupním napětím je nutná transformace síťového napětí 231V/50 Hz na požadovanou hodnotu napětí pomocí napájecího transformátoru, který zároveň může sloužit k izolačnímu oddělení elektronického zařízení od rozvodné napájecí sítě. Pro výrobu transformátorů se nejčastěji používají jádra složená z plechů typu EI, C, nebo v poslední době používané transformátory s toroidním jádrem. Vinutí je provedeno z měděných vodičů se smaltovanou izolací kruhového nebo obdélníkového průřezu. Pro běžnou technickou praxi vyhovuje přibližný návrh napájecího transformátoru (přesný výpočet lze najít v odborné literatuře). Přenášený výkon z primární na sekundární stranu je možno určit ze vztahu:

P=

1 n ∑U i I i η i =1

kde:

[W, V, A]

(1.1)

η.………účinnost transformátoru 0,8 až 0,95 Ui , Ii …..hodnoty napětí a proudu sekundárního vinutí transformátoru

Průřez jádra transformátoru (středního sloupku) určíme ze vztahu:

S≅

P B

[cm2, W, T]

(1.2)

kde hodnota magnetické indukce B = 0,9 až 1,1 T u EI jádra a 1,5 T u C jádra. Nejčastěji se volí

B = 1T ⇒ S ≅ P . Vztah (1.2) platí pro běžné hodnoty frekvence f=50Hz a proudové hustoty J s = 2,5 ÷ 3,5 A / mm 2 . Počet závitů na jeden volt pak určuje vztah:

N 1V =

1 4,44 fBS

(1.3)

pro f=50Hz :

N 1V ≅

45 S

[V-1, T, cm2]

(1.4)

Počet závitů jednotlivých vinutí určíme ze vztahu:

N i = k u N 1V U i kde

[V-1, V]

k u = 0,92 ÷ 0,97 k u = 1,03 ÷ 1,05

(1.5) pro primární vinutí pro sekundární vinutí

2

Síťové napájecí zdroje Průměry vodičů vinutí se pak určí ze znalosti proudu, tekoucího vinutím ze vztahu:

di =

Ii 0,785 J s

[mm, A, A/mm2]

(1.6)

2 2 kde proudová hustota J s = 2,5 A / mm pro vnitřní a 4 A / mm pro vnější vinutí. Po předběžném výpočtu se provede kontrola, zda se vinutí vejde do okna transformátoru s ohledem na proklady vrstev, impregnaci, atd.

!

Usměrňovače

Usměrňovače jsou zařízení, která slouží k přeměně střídavé elektrické energie na stejnosměrnou, přičemž základními stavebními prvky, které se při jejich stavbě používají jsou usměrňovací diody (případně tyristory), přičemž je využita základní vlastnost přechodu P-N a to usměrňovací jev . Usměrňovače můžeme rozdělit podle několika hledisek: a) 1) 2) 3)

podle počtu fází jednofázové - slouží především pro napájení menších elektronických zařízení trojfázové - napájecí zdroje výkonových obvodů - měniče, ss motory apod. m - fázové

b) 1) 2) 3)

podle způsobu řízení neřízené - usměrňovače s diodami polořízené - usměrňovače s diodami a tyristory řízené - usměrňovače s tyristory

c) 1) 2) 3)

podle způsobu zapojení uzlové můstkové jednocestné

d) 1) 2) 3) 4) 5)

podle tvaru usměrněného napětí jednopulsní dvojpulsní trojpulsní šestipulsní n - pulsní

Při výpočtech usměrňovacích obvodů jsou provedena určitá zjednodušení: zanedbání závěrného proudu diody, přechod ze závěrného do propustného směru je pokládán za ideální (jsou zanedbány komutační vlastnosti prvků, což je možno pro všechny typy současných křemíkových diod při usměrňování střídavého napětí průmyslového kmitočtu). V dalším popisu jsou uvažovány pouze jednofázové usměrňovače malého výkonu.

Shrnutí pojmů 1.1. Základní části síťového napájecího zdroje, transformátory, základní rozdělení usměrňovačů.

3


Otázky 1.1. 1. Specifikujte základní části síťového napájecího zdroje. 2. Uveďte postup návrhu síťového transformátoru.

1.2. Jednofázový jednocestný jednopulsní usměrňovač Čas ke studiu: 1 hodina Cíl


• •

provést analýzu činnosti jednocestného jednopulsního usměrňovače určit střední hodnotu napětí a proudu na odporové zátěži

Výklad

!

Usměrňovač bez filtračního kondenzátoru

Na obr. 1.2 je uvedeno zapojení jednocestného jednopulsního usměrňovače s odporovou zátěží.

Obr. 1.2 Jednocestný usměrňovač s odporovou zátěží Vnitřní odpor usměrňovače je tvořen diferenciálním odporem diody v propustném směru a vnitřním odporem zdroje napětí:

Rs = Rdp + Ri

(1.7)

Pro amplitudu proudu pak platí:

Im =

Um Rs + R z

(1.8) 4

Síťové napájecí zdroje Střední hodnota usměrněného proudu je pak dána vztahem:

I AV

π I I 1 π I m sin(ωt )d (ωt ) = m [− cos(ωt )]0 = m = ∫ 2π 0 2π π

(1.9)

Napětí na zátěži, vyvolané proudem IAV :

U AV

1 = 2π

π

∫ [U

m

sin(ωt ) − Rs I m sin(ωt )] d (ωt ) =

0

U m − Rs I m U m = − Rs I AV π π

(1.10)

Při výstupu usměrňovače naprázdno (I AV = 0 ) je napětí:

U AV 0 =

2 Um U ≅ 0,45U = π π

(1.11)

Při chodu nakrátko je hodnota proudu usměrňovače (Rz = 0 ) :

I AVk =

Um π Rs

(1.12)

Dioda je namáhána závěrným napětím :

U Rm = U m

(1.13)

Nevýhodou uvedeného zapojení je velké zvlnění usměrněného napětí, které se zmenšuje filtrací pomocí filtru, jenž propouští na zátěž jen stejnosměrnou složku a odstraní nežádoucí, vyšší harmonické. Tento lze realizovat buď pomocí sběrného kondenzátoru (filtr typu dolnofrekvenční propust), nebo v sérii se zátěží zapojenou nárazovou tlumivkou (filtr typu hornofrekvenční zádrž). Základní zapojení jednocestného usměrňovače se sběracím kondenzátorem ukazuje obr. 1.3.

Obr. 1.3 Jednocestný usměrňovač s kapacitním filtrem a) bez zátěže b) s odporovou zátěží

5

Síťové napájecí zdroje Činitel zvlnění, který je určen poměrem střídavé a stejnosměrné složky výstupního napětí usměrňovače, je možno pro toto zapojení vyjádřit vztahem:

p ≅ 600

Iz U zC

[%, mA, V, µF]

(1.14)

a platí pro síťový kmitočet f = 50 Hz . Napěťové namáhání diody pak je:

U Rm = 2U m

(1.15)

Nabíjecí proces je dán nabíjecí časovou konstantou τ N = Rs C a navíc závisí na kmitočtu, neboť počet aktivních časových úseků závisí na kmitočtu. Při dimenzování diod vycházíme z následujících vztahů:

I FAV > I z ,

U RRM > 2U m ,

I FSM >

Um Rs

(1.16)

přičemž I FAV je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži.

Shrnutí pojmů 1.2. Jednocestný, jednopulsní usměrňovač, střední hodnota napětí a proudu, odporová zátěž, filtr, činitel zvlnění.

Otázky 1.2. 1. Specifikujte pojmy : střední hodnota napětí a proudu, napětí naprázdno a proud nakrátko u daného typu jednopulsního usměrňovače 2. Vysvětlete význam filtračního kondenzátoru u jednocestného jednopulsního usměrňovače.

1.3. Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač Čas ke studiu: 1 hodina Cíl


• •

provést analýzu činnosti dvoucestného dvoupulsního usměrňovače určit střední hodnotu napětí a proudu na odporové zátěži

6


Výklad !

Dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v uzlovém zapojení

Menšího zvlnění výstupního usměrněného napětí na výstupu usměrňovače lze dosáhnout tzv. uzlovým nebo můstkovým zapojením. Obr. 1.4. ukazuje uzlové zapojení jednofázového usměrňovače s kapacitním filtrem.

Obr. 1.4 Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v uzlovém zapojení a) bez kapacitního filtru b) s kapacitním filtrem U dvoucestného zapojení bez kapacitního filtru je střední hodnota usměrněného proudu a napětí dána vztahy:

I AV

π 2I I 1 π = ∫ I m sin (ω t )d (ω t ) = m [− cos(ω t )]0 = m π 0 π π

(1.17)

π

U AV

2U − Rs 2 I m 2U m 1 = − Rs I AV = ∫ [U m sin (ω t )− Rs I m sin (ω t ) ]d (ω t )= m π π π 0

(1.18)

Napětí při chodu naprázdno:

U AV 0 =

2U m 2 2 U = ≅ 0,9U π π

(1.19)

Proud při chodu nakrátko:

I AVk =

2U m πRs

(1.20)

7

Síťové napájecí zdroje Namáhání diod v závěrném směru:

U Rm = 2U m

(1.21)

Dimenzování diod:

I FAV >

IZ 2

U RRM > 2U m

I FSM >

Um Rs

(1.22)

přičemž I FAV je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži. U dvojcestného uzlového zapojení s kapacitním filtrem je během každé periody dobíjen kondenzátor dvakrát. Činitel zvlnění usměrňovače je možno urči ze vztahu:

p ≅ 300

!

IZ UZC

[%, mA, V, µF]

(1.23)

Dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v můstkovém zapojení

Obr. 1.5 Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v můstkovém zapojení a) s kapacitním filtrem

b) bez kapacitního filtru

Obr. 1.5 ukazuje můstkové zapojení dvoupulsního usměrňovače, jehož výhodou je, že napájecí transformátor je jednodušší (úspora mědi), i když je zapotřebí dvojnásobného počtu usměrňovacích diod (dvojnásobný úbytek napětí na diodách). Pro hodnoty napětí, proudu a činitele zvlnění platí stejné vztahy 1.17, 1.18, 1.19, 1.20, 1.23. Napěťové namáhání diod je poloviční:

U Rm = U m

(1.24)

Vnitřní odpor usměrňovače je větší, poněvadž jsou v usměrňovací cestě zapojeny dvě diody v sérii.

Rs = 2 Rdp + Ri

(1.25)

8

Síťové napájecí zdroje Dimenzování diod:

I FAV >

IZ 2

U RRM >U m

I FSM >

Um Rs

(1.26)

přičemž I FAV je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži. Výpočet hodnoty filtrační kapacity se provádí často pomocí nomogramů, kde jsou vyneseny pro různé hodnoty součinu f ⋅ Rs ⋅ C různé závislosti parametrů usměrňovače, např. zvlnění nan normovaném zatěžovacím odporu

Rs . RZ

Při prvním připojení usměrňovače k napájecí síti může dojít ke zničení usměrňovacích diod nadměrným nabíjecím proudem vyhlazovacího kondenzátoru, který nesmí přesáhnout hodnotu I FSM diody. Může-li k tomuto jevu dojít, předřazuje se ochranný odpor Ro min , který omezí nabíjecí proud. Při filtraci napětí o nízkém kmitočtu nebo protéká-li filtrem vysoká hodnota zatěžovacího proudu, je nutno použít L nebo LC filtr, který vykazuje malý úbytek napětí na indukčnosti a vysokou filtrační schopnost. Nevýhodou je velká hmotnost (užití prakticky jen u výkonových usměrňovačů). Minimální indukčnost tlumivky lze přibližně určit z nerovnosti:

Lmin ≥

RZ 20 f

(1.27)

Za RZ dosazujeme v případě proměnného odporu největší hodnotu (nejmenší proud). Obr. 1.6 ukazuje zatěžovací charakteristiky jednotlivých usměrňovačů.

Obr. 1.6 Zatěžovací charakteristiky usměrňovačů

Shrnutí pojmů 1.3. Dvoucestný, dvoupulsní usměrňovač, uzlové a můstkové zapojení, střední hodnota napětí a proudu, odporová zátěž, filtr, činitel zvlnění, zatěžovací charakteristiky usměrňovačů.

9


Otázky 1.3. 1. Specifikujte pojmy : střední hodnota napětí a proudu, napětí naprázdno a proud nakrátko u dvoupulsního usměrňovače v uzlovém a můstkovém zapojení. Zdůvodněte výhody usměrňovače v můstkovém zapojení. 2. Vysvětlete pojem zatěžovací charakteristika usměrňovače, a vliv filtračního kondenzátoru na její tvar.

1.4. Zdvojovače a násobiče napětí Čas ke studiu: 30 minut Cíl


•

vysvětlit pojem zdvojovač a násobič napětí a objasnit princip jejich činnosti

Výklad

!

Zdvojovač napětí

Úkolem zdvojovačů a násobičů napětí je dodat na výstupní straně vyšší stejnosměrné napětí, než je vstupní napětí střídavé. Dále popsaný způsob je používán zejména u vysokonapěťových usměrňovačů se zanedbatelnou zátěží. Jako možný příklad lze uvést násobič pro získání anodového napětí pro obrazovku barevného televizního přijímače.

Obr. 1.7 Zdvojovač napětí

10

Síťové napájecí zdroje Na obr.l.7 je uvedeno základní zapojení zdvojovače napětí se dvěmi diodami a dvěmi kondenzátory. Dioda D1 slouží jako jednocestný usměrňovač, přes kterou je v kladné půlperiodě nabíjen kondenzátor C1, při záporné půlperiodě je obdobně nabíjen přes diodu D2 kondenzátor C2. Napětí na zátěži je pak dáno součtem napětí na obou kondenzátorech. Pro případ, že ke zdvojovači není připojena zátěž (Rz) a zanedbáme úbytky napětí na diodách v propustném směru, bude výsledné napětí na kondenzátorech rovno dvojnásobku vrcholového napětí u.

!

Násobič napětí

Obr. 1.8 Násobič napětí Pro získání stejnosměrného napětí, které je větší než dvojnásobek vstupního střídavého napětí se používá například Delonův násobič napětí, jehož principiální zapojení je uvedeno na obr.1.8. Pro konkrétní zapojení je možné pro dostatečně vysokou impedanci zátěže získat na kondenzátorech C2 a C4 výsledné napětí, které je rovno čtyřnásobku amplitudy vstupního střídavého napětí u. Rozšířením tohoto zapojení o další diody a kondenzátory je teoreticky možné získat jakýkoliv násobek vrcholové hodnoty vstupního napětí u (pro nekonečnou impedanci zátěže).

Shrnutí pojmů 1.4. Zdvojovač napětí, násobič napětí.

Otázky 1.4. 1. Popište princip činnosti zdvojovačů a násobičů napětí.

11


1.5. Filtry Čas ke studiu: 1 hodina Cíl


•

vysvětlit problematiku filtrace výstupního napětí

•

vysvětlit rozdíl mezi pasivním filtrem a vyhlazovacím filtrem s tranzistorem

Výklad

!

RC a LC filtry

Ve většině případů, kdy napájíme síťovým napájecím zdrojem elektronická zařízení musíme provádět před případnou stabilizací ještě filtraci výstupního napětí za usměrňovačem. Účinnost filtru posuzujeme podle činitele filtrace (vyhlazení), který udává kolikrát zmenšuje filtr amplitudu první harmonické. Nejjednodušším filtračním prvkem je kondenzátor, který se řadí za usměrňovač. Jeho úkolem je zmenšit zvlnění usměrňovače buď na hodnotu již přímo použitelnou pro některé obvody bez velkých nároků na čistotu napájecího napětí nebo na hodnotu použitelnou pro další filtrační řetězec.

Obr. 1.9 Usměrňovač s filtračním kondenzátorem Výsledný činitel zvlnění p závisí převážně na zapojení usměrňovače, velikosti zatěžovacího odporu a kapacitě filtračního kondenzátoru C1. Pro praktické návrhy jsou sestaveny vzorce, pomocí kterých lze s dostatečnou přesností stanovit činitel zvlnění pro kmitočet sítě 50 Hz při známé zátěži a kapacitě filtračního kondenzátoru nebo stanovit velikost kondenzátoru při známé zátěži a požadovaném činiteli zvlnění p1. Vztah pro jednocestný usměrňovač má tvar :

p1 ≅

600 Rz C1

[%, kΩ, µF]

(1.28)

12

Síťové napájecí zdroje a pro dvoucestný usměrňovač pak :

p1 ≅

300 Rz C1

[%, kΩ, µF]

(1.29)

Pro napájení citlivějších obvodů je třeba napájecí napětí dále filtrovat. Možné další způsoby jsou uvedené na obr. 1.10.

Obr. 1.10 Zapojení vyhlazovacích filtrů RC a LC Pro určení činitele zvlnění p2 výstupního napětí u2 lze pro výše uvedený typ filtrů použít vztahy:

p2 ≅

3200 p1 Rz C 2

[%, kΩ, µF]

(1.30)

pro jednocestné usměrnění, respektive :

p2 ≅

1600 p1 Rz C 2

[%, kΩ, µF]

(1.31)

pro usměrnění dvoucestné.

!

Vyhlazovací filtr s tranzistorem

Zapojení tohoto filtru je uvedeno na obr. 1.11

. Obr. 1.11 Tranzistorový vyhlazovací filtr RC 13

Síťové napájecí zdroje Úpravou RC filtru podle obr. 1.11 lze dosáhnout stejného činitele filtrace, s kondenzátorem C2‘, který je podstatně menší než původní hodnota C2. Poměr kapacit těchto kondenzátorů závisí na proudovém zesilovacím činiteli tranzistoru β.

C2´ ≅

C2 β

[µF, µF, -]

(1.32)

Mimo to lze v tranzistorovém filtru použít podélného odporu R1´ mnohem větší hodnoty, než byl odpor R1 v původním filtru, protože proud procházející odporem R1´ je opět v poměru proudového zesilovacího činitele tranzistoru menší než proud celého filtru. Takto lze dále zmenšit činitel zvlnění tranzistorového filtru.

Shrnutí pojmů 1.5. Filtr RC, LC, vyhlazovací filtr s tranzistorem, činitel zvlnění.

Otázky 1.5. 1. Vysvětlete princip filtrace výstupního napětí, možnost použití RC a LC filtrů. 2. Objasněte princip vyhlazovacího filtru s tranzistorem. V čem spočívá jeho hlavní výhoda?

1.6. Parametrické stabilizátory napětí Čas ke studiu: 1 hodina Cíl •

Po prostudování tohoto odstavce budete umět vysvětlit princip činnosti parametrického stabilizátoru napětí se ZD

Výklad

!

Parametrický stabilizátor napětí se Zenerovou diodou

Téměř ve všech elektronických zařízeních se setkáváme s nutností stabilizovat alespoň některá napájecí napětí. Je-li zařízení napájeno ze sítě, je nutné za usměrňovač s filtrem zařadit vhodný stabilizátor nebo regulátor napětí. U jednoduchých elektronických zařízení, které nevyžadují velkou přesnost stabilizace se často používají tzv. parametrické stabilizátory napětí, využívající vlastností nelineárních prvků, například Zenerovy diody. Typická voltampérová charakteristika této diody je uvedena na obr. 1.12. 14


Obr. 1.12 Voltampérová charakteristika Zenerovy diody V propustném směru, tj. při kladném napětí na anodě se tato dioda chová jako běžná křemíková dioda. Typický je však průběh při opačné polarizaci diody. Po překročení jistého napětí dochází k lavinovému vzrůstu počtu volných nosičů elektrického proudu v základním materiálu a proud prudce roste. Napětí na diodě v této oblasti charakteristiky se mění podstatně méně, než by odpovídalo vzrůstu proudu. Toto napětí je označováno jako Zenerovo a je jedním z charakteristických parametrů těchto diod. Zajistíme - li omezení proudu Zenerovou diodou v oblasti Zenerova napětí nad jistou mez, dostaneme jednoduchý stabilizátor napětí.

Obr. 1.13 Zapojení stabilizátoru napětí se Zenerovou diodou

15

Síťové napájecí zdroje Řešený příklad Příklad návrhu stabilizátoru se Zenerovou diodou dle obr. 1.13 Pro příklad vycházíme z následujícího zadání: I2= 50 mA, U2 = 5 V 1) Volíme IZ > I2, například IZ = 60 mA, v případech, kdy může dojít k odpojení zátěže volíme I2 = 0. 2) Vypočteme ztrátový výkon na diodě PZD = UZ . IZ = 5 . 0,06 = 0,3 W. 3) V katalogu najdeme Zenerovu diodu s napětím U2 = UZ = 5 V a povoleným proudem IZ= 60 mA (s rezervou), například typ KZ 260/5V1 se ztrátovým výkonem PZDmax = 1,3W. 4) Zkontrolujeme maximální proudové a výkonové zatížení Zenerovy diody, které přichází v úvahu při I2 = I2min, tj.: IZ = IZmax = IZ +I2 = 0,06 + 0,05 = 0,11 A PZD = UZ . IZmax = 5 . 0,11 = 0,55 W < 1,3 W nebo při I2 = 0, může - li dojít zcela k odpojení zátěže. 5) Navrhneme hodnotu odporu Ri: je dáno vstupní napětí, například Ui = 12 V Ri = (Ui-Uz)/(Iz+I2) = (12-5)/0,ll = 63,7 Ω Volíme tedy hodnotu z řady El2 R1 = 68 Ω 6) Určíme výkonovou ztrátu na odporu R1: PR1 = (U1- UZ)2 . R1= (12-5)2 . 68 = 0,72 W

!

Parametrický stabilizátor napětí s tranzistorem

Výše popsaný parametrický stabilizátor napětí je vhodný pro malé proudové odběry (řádově desítky mA). Pokud je požadovaný proudový odběr zátěže větší, je možné použít zapojení uvedené na obr. 1.14.

Obr. 1.14 Tranzistorový stabilizátor napětí 16

Síťové napájecí zdroje Postup návrhu dle obr. 1.14 bude uveden na následujícím příkladu.

Řešený příklad Navrhněte zdroj stabilizovaného napětí s tranzistorem pro výstupní napětí 15 V a výstupní proud 50 mA. Určete hodnoty a typy součástek a vysvětlete princip činnosti zdroje. Řešení: Zdroj v zapojení podle obr. 1.14 vychází z předpokladu, že napětí UBE tranzistoru je konstantní. To velmi dobře platí pro křemíkové tranzistory, takže pro výstupní napětí můžeme psát rovnici:

U 2 = U ZD − U BE Pro Si tranzistory je UBE = 0,7V, takže pro požadovaných 15 V na výstupu zdroje musí mít Zenerova dioda napětí cca 15,7 V. Z katalogu Tesla Rožnov lze použít typ KZ260/16, s rozmezím Zenerova napětí od 15,3 do 17,1 V. Aby na této diodě bylo stabilní napětí, musí pracovat za kolenem své závěrné charakteristiky, tj. musí jí protékat minimálně proud okolo 10 mA. Současně nesmí tranzistor pracovat v saturaci, tj. jeho napětí UCE musí mít hodnotu alespoň 2 až 3 V. Pro vstupní napětí tedy platí:

U 1 = U 2 + U CE = 15 + 5 = 20V Minimální požadované parametry tranzistoru T jsou tedy následující: UCE = 20 V, Ic = 50 mA, PC = 250 mW Těmto podmínkám vyhovuje například typ KF 509 se zesilovacím činitelem h21E= 90 až 300. Potřebná hodnota proudu báze je pak:

IB =

IC 0,05 = = 0,5mA h21E 100

Hodnota proudu I3, protékajícího odporem R je součtem:

I 3 = I B + I ZD = 0,5 + 10 = 10,5 mA Hodnota odporu R pak:

R=

U 1 − U ZD 20 − 15,7 = = 410Ω 10,5 ⋅10 −3 I3

Z řady El2 vychází nejbližší nižší hodnota odporu 390 Ω.

Shrnutí pojmů 1.6. Zenerova dioda, parametrický stabilizátor napětí, proudový zesilovač.

17


Otázky 1.6. 1. Vysvětlete princip činnosti a postup návrhu parametrického stabilizátoru napětí se Zenerovou diodou. 2. Popište činnost parametrického stabilizátoru napětí s proudovým zesilovačem, vysvětlete postup návrhu tohoto stabilizátoru, srovnejte jeho výhody z hlediska dimenzování aktivních a pasivních prvků stabilizátoru.

1.7. Integrované stabilizátory napětí Čas ke studiu: 1 hodina Cíl


•

vysvětlit princip činnosti integrovaného stabilizátoru napětí

•

navrhnout zdroj konstantního proudu s tímto stabilizátorem

Výklad

!

Integrované stabilizátory napětí řady LM 78..

Obr. 1.15 Blokové schéma stabilizátoru řady 78.. 18

Síťové napájecí zdroje Na obr. 1.15 je blokové schéma monolitického regulátoru napětí. Hodnota výstupního napětí se děličem, vytvořeným odpory R1 a R2 přivádí na investující vstup rozdílového zesilovače A, kde se porovnává s referenčním napětím UR, přiváděným na neinvertující vstup. Výstup zesilovače pak řídí sériový výkonový člen regulátoru, kterým je tranzistor T1. Pomocí tranzistoru T1, a odporu R0 je současně tvořena proudová ochrana, obvod tepelné pojistky chrání regulátor proti tepelnému přetížení.

!

Rozbor

Integrované obvody řady LM78 . ., LM 79 . ., LM 317, patří do řady monolitických integrovaných stabilizátorů napětí. Všechny tyto obvody se vyrábějí jak v základním provedení pro výstupní proud l00 mA, v provedení pouzdra TO 92 (rozměrově stejné např. s nf tranzistorem KC 237), tak v provedení pro výstupní proud 1A (pouzdro TO 220). Ve výjimečných případech se lze setkat i s provedením v pouzdře TO 3 (obdoba pouzder u výkonových tranzistorů např. KD 607). Přes jednoduchost vnějšího vzhledu jde o velmi dokonalé stabilizátory s výkonnými parametry. Jejich základní vlastnosti jsou určeny typem stabilizátoru. Např. LM 7805 - výstupní napětí +5V, LM 7815 výstupní napětí +15V, apod. Tolerance výstupního napětí je cca ± 4%. Všechny obvody mají zabudovanou vnitřní ochranu proti tepelnému přetížení a vnitřní ochranu proti zkratu. Základní zapojení zdroje s monolitickým stabilizátorem je na obr. 1.16.

Obr. 1.16 Základní zapojení stabilizátoru Vstupní napětí U1 musí být minimálně o 2 až 3V větší, než je výstupní napětí U2 daného regulátoru. Kondenzátor C1 má minimální kapacitu 0,22 µF a používá se při větší vzdálenosti monolitického stabilizátoru od zdroje napětí U1. Výstup za normálního provozu nevyžaduje žádné další přídavné součásti, ale kondenzátor C2 s kapacitou cca 50 |µF zde zabezpečuje malou impedanci výstupu pro vyšší kmitočty, asi do l MHz. Pro zabezpečení malé impedance při kmitočtech vyšších než l MHz je nutný ještě kondenzátor C3 s kapacitou asi l nF.

!

Zdroj konstantního proudu

Obr. 1.17 Zapojení zdroje konstantního proudu

19

Síťové napájecí zdroje Zapojení na obr. 1.17 znázorňuje aplikaci integrovaného stabilizátoru jako zdroj konstantního proudu. Pro výstupní proud platí:

I2 =

U XX + I0 R1

(1.33)

kde UXX I0

!

- výstupní napětí daného typu stabilizátoru - klidový proud stabilizátoru (pro řadu 78 . . cca 4 až 8mA)

Stabilizátor s proměnným výstupním napětím

Obr. 1.18 Stabilizátor s proměnným výstupním napětím Obr. 1.18 znázorňuje zapojení pro získání vyššího výstupního napětí. Pro výstupní napětí pak platí:

 R  U 2 = U XX 1 + 2  + I 0 R2  R1  !

(1.34)

Integrovaný stabilizátor LM 317

Obr. 1.19 Zapojení zdroje se stabilizátorem LM 317 Obvod LM 317 je stabilizátor napětí se třemi vývody, jehož vnitřní stabilizační obvod udržuje napětí mezi výstupem a vstupem pro nastavení na konstantní úrovni 1,25V, při dodržení podmínky, že výstupní proud je nejméně 5mA, že je k dispozici napěťový rozdíl 3V mezi výstupním a vstupním napětím a že nebude překročen ztrátový výkon 15W na obvodu. Za těchto podmínek pak můžeme zanedbat i vliv klidového proudu I0 a pro výstupní napětí platí: 20


U2 =

R1 + R2 ⋅1,25 R1

(1.35)

Pro ostatní aplikace platí obdobné zásady jako u integrovaných stabilizátorů řady 78xx.

Shrnutí pojmů 1.7. Integrovaný stabilizátor napětí, proudový zdroj.

Otázky 1.7. 1. Vysvětlete princip činnosti a způsoby aplikace integrovaných stabilizátorů napětí. 2. Vysvětlete funkci integrovaného stabilizátoru napětí ve funkci zdroje konstantního proudu. 3. Specifikujte výhody těchto stabilizátorů ve srovnání s parametrickými stabilizátory napětí.

1.8. Impulsní stabilizátory napětí Čas ke studiu: 1 hodina Cíl •

Po prostudování tohoto odstavce budete umět vysvětlit obecný princip činnosti impulsního stabilizátoru napětí

Výklad

!

Impulsní stabilizátory

Kapitolu o impulsních stabilizátorech uvedeme stručně, neboť samostatné řešení těchto stabilizátorů je natolik komplikované, že se jí zabývá samostatná oblast elektroniky a ve dnešní době se již prakticky s řešením těchto stabilizátorů při použití diskretních součástek. Impulsní nebo-li nespojité stabilizátory pracují na následujícím principu. Proud do výstupního obvodu se nedodává trvale, nýbrž po určitých dávkách tak, aby napětí na výstupním kondenzátoru C mělo stálou hodnotu s pokud možno co nejmenším zvlněním. Blokové zapojení je na obr. 1.20. Dávky proudu do výstupního obvodu určuje spínací prvek, zpravidla tranzistor. V porovnávacím obvodu se porovnává velikost referenčního napětí s výstupním napětím, upraveným ve výstupním děliči. Porovnávací obvod potom spouští klopný obvod, který řídí výkonový spínací prvek.

21


Obr.1.20 Blokové schéma zapojení impulsního stabilizátoru napětí Tento starší způsob nespojitého řízení má oproti spojitému jisté výhody, v účinnosti však nebyl předstižen impulsovým regulátorem s tlumivkou. Při tomto řešení se dosahuje účinnost i přes 90 %, je to dnes nejčastěji používaný způsob impulsové regulace. Využívá se i v integrovaných nespojitých regulátorech. Princip této regulace je na obr. 1.21.

Obr. 1.21 Princip zapojení nespojitého stabilizátoru s tlumivkou Zdroj vstupního napětí U1, většího než je výstupní napětí U2 se střídavě připojuje přes spínač S a tlumivku Tl. na zatěžovací odpor R2, ke kterému je paralelně připojen sběrací kondenzátor C. Při sepnutí kontaktu začne tlumivkou procházet proud, rostoucí s časovým zpožděním daným indukčností tlumivky. Po rozepnutí kontaktu se na tlumivce objeví napětí, které se snaží udržet proud v dosud ustáleném stavu. Díky vhodně pólované diodě D je umožněno tomuto proudu dále procházet do zátěže. Intenzita proudu se s časem zmenšuje až k nule. Při dostatečně rychlém spínání kontaktu S prochází zátěží stálý, mírně zvlněný proud. Ztráty vznikají pouze v činném odporu tlumivky a diody. V praxi je spínač nahrazen tranzistorem, který je spouštěn klopným obvodem. Aby bylo výstupní napětí stabilizované, je třeba zajistit zpětnou vazbu. Ta spočívá v porovnávání výstupního napětí s referenčním napětím. Výsledným produktem je řízení kmitočtu klopného obvodu nebo jiného typu oscilátoru. Kmitočet oscilátoru je určen velikostí kondenzátoru C a zatěžovacího odporu, střída kmitočtu závisí na poměru vstupního a výstupního napětí. Principiální zapojení tohoto nespojitého stabilizátoru je na obr. 1.22.

22


Obr. 1.22 Nespojitý stabilizátor napětí s operačním zesilovačem

Shrnutí pojmů 1.8. Impulsní stabilizátor napětí, zpětná vazba.

Otázky 1.8. 1. Vysvětlete princip činnosti impulsního stabilizátoru napětí. 2. Srovnejte vlastnosti a možnosti použití spojitých a impulsních stabilizátorů napětí

23

popsat základní díly síťového napájecího zdroje zjednodušeně popsat návrh síťového transformátoru malého výkonu

Recommend Documents