Czy na moc nie ma

mocnych?

Wiesz, że moc obliczamy jako iloczyn napięcia
i natężenia prądu.

ponieważ według prawa Ohma , oraz,

, więc

Często korzystamy z ich przekształconych form:

,

To są bardzo pożyteczne wzory. Zapamiętaj je,
a jeśli masz trudności, zapisz i umieść w dobrym
miejscu.

Dioda Zenera

Rysunek obok poka−
zuje symbol tak zwa−
nej diody Zenera.
Fotografia przedsta−
wia kilka diod stare−
go i nowego typu.
Diody Zenera, na−
zwane swojsko przez jednych „zenerami”,
przez innych „zenerkami”, wykorzystywane
są do stabilizacji napięcia oraz do ogranicza−
nia zbyt dużych napięć.

Koniecznie musisz zapamiętać, że dioda

Zenera włączana jest w układ niejako od−
wrotnie, czyli w kierunku zaporowym.
W kierunku przewodzenia zachowuje się jak
zwykła dioda krzemowa.

Najważniejszym parametrami diody Ze−

nera są napięcie nominalne oraz dopuszczal−
na moc strat. Jeśli napięcie zaporowe jest
mniejsze od napięcia nominalnego diody,
prąd przez nią nie płynie. Próba zwiększenia
napięcia na diodzie powyżej napięcia nomi−
nalnego spowoduje gwałtowny wzrost prądu.
Najprościej biorąc, dioda nie dopuści do
wzrostu napięcia i przejmie na siebie cały
prąd.

Prąd przepływający przez diodę powodu−

je powstawanie ciepła, i to jest istotny czyn−
nik ograniczający. Moc strat diody to iloczyn
napięcia na diodzie i prądu (P=U*I).

Mniej istotne dla początkującego hobby−

sty są inne parametry, jak współczynnik
zmian napięcia Zenera pod wpływem tempe−
ratury czy współczynnik zmian tegoż napię−
cia pod wpływem zmian prądu (tak zwana re−
zystancja dynamiczna).

Najpopularniejsze diody Zenera mają na−

pięcia nominalne od 3,3 do 33V, a nawet do
150V i moce od 0,2W...5W.

Diody Zenera oznacza się w charaktery−

styczny sposób. Na przykład C4V7 oznacza
diodę Zenera o napięciu 4,7V. C12V oznacza
diodę Zenera 12−woltową. Litera Coznacza
tolerancję napięcia.

Dawniej diody Zenera wykorzystywano

jako źródła napięcia wzorcowego.

37

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Zestaw teraz układ według rysunku 11
i fotografii 7. Przed włączeniem zasi−
lacza sprawdź dokładnie, czy prawidło−
wo włączone są grożące wybuchem
„elektrolity” C1, C2. Jasność diody
LED wskazuje, że napięcie jest więk−
sze niż w poprzednich układach pro−
stowniczych (rysunki 5, 9d). Zmierz
napięcie na wyjściu (między punktami
C, D). Jest prawie dwa razy większe
niż poprzednio i prawie trzy razy więk−
sze od napięcia zmiennego transforma−
tora (u mnie było 36,2V). Rezystor
1k

Ω jest bardzo gorący, bo wydziela

się w nim moc ponad 1W − kilkakrotnie
więcej, niż wynosi jego moc nominalna

Zbudowaliśmy tak zwany podwajacz

napięcia. Jestem przekonany, że nie masz
wątpliwości, jak działa – w zasadzie są to
dwa prostowniki jednopołówkowe z ćwi−
czeń 2 i 3; porównaj też rysunek 8.

Nie ciesz się jednak, że napięcie jest

wysokie. Nic za darmo! Z takiego ukła−
du można pobrać jedynie niewielki prąd.
W układach omówionych masz do wy−
boru: albo duże napięcie i mały prąd
(podwajacze i powielacze napięcia), al−
bo mniejsze napięcie i większy prąd
(układ mostkowy). W grę wchodzi tu
kilka czynników; najważniejszym jest
moc transformatora. Słusznie się domy−
ślasz, że gdyby transformator miał więk−
sze wymiary, byłby w stanie oddać
większą moc. Próba „wyciśnięcia” z ma−
łego transformatora mocy większej niż
nominalna zakończy się przegrzaniem
uzwojeń i spaleniem izolacji. Nie próbuj
czegoś takiego!

Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronie 120

Ćwiczenie 7

Podwajacz napięcia

Fot. 7

Rys. 11

Fot. 6

Ośla łączka

A4

69

I

U

P

∗

=

R

I

U

∗

=

R

U

I

=

I

U

P

∗

=

(

)

R

I

I

R

I

P

∗

=

∗

∗

=

2

R

U

R

U

U

P

2

=













∗

=

P*R

=

I

P

U=

2

2

I

P

P

U

R

=

=

R

P

=

U

P

I=

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

E

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

38

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Zestaw układ według rysunku 12a i fo−
tografii 8. Diody niezbyt silnie, ale jed−
nak świecą. Jeśli chcesz, zwiększ pojem−
ność, dodając dwa kondensatory według
rysunku 12b i fotografii 9. Nie pomyl
się przy łączeniu kondensatorów elek−
trolitycznych – mają być połączone
w szereg, przeciwsobnie. Jak zmieniła
się jasność LED−ów?

Okazuje się, że przy prądzie zmiennym

kondensator zachowuje się jak rezystor.
Płynie przezeń prąd. Dlaczego?

Jeśli masz wątpliwości, odłącz jedną

z diod LED. Druga nie będzie świecić.
Dlaczego?

Zapamiętaj raz na zawsze, że prze−

pływ prądu w kondensatorze polega to
na cyklicznym ładowaniu i rozładowa−
niu (przypomnij sobie eksperymenty

z wyprawy drugiej – A2). W układzie
z rysunku 12 odbywa się to z częstotli−
wością sieci (50Hz). Gdy usuniesz jedną
diodę, kondensator naładuje się, ale nie
będzie się mógł rozładować.

Choć kondensator wcale nie stał się

rezystorem i nadal nie może przezeń pły−
nąć prąd stały, dla prądu zmiennego
przedstawia jakąś oporność. Nazywamy

ją opornością pozorną
kondensatora, inaczej re−
aktancją pojemnościową.

Jeśli ten przepływ prądu

i ta pozorna oporność to
wynik cyklicznego ładowa−
nia i rozładowywania, nie−
trudno się domyślić, że przy
częstszych zmianach prąd

byłby większy. A jeśli prąd byłby więk−
szy, to pozorna oporność – mniejsza.
Wynika z tego, że oporność pozorna (re−
aktancja) kondensatora maleje ze wzro−
stem częstotliwości. Choć nie będziemy
tego sprawdzać eksperymentalnie, zapo−
znaj się z informacjami na ten temat za−
wartymi w TECHNIKALIACH.

Po co komu przekładnia?

Typowy transformator składa się z dwóch uzwojeń,
zawierających określoną liczbę zwojów. Jeśli jedno

z uzwojeń zostanie dołączone do źródła sinusoidal−
nego napięcia zmiennego, na drugim uzwojeniu po−
jawi się przebieg sinusoidalny o napięciu...

Zapamiętaj, że o wartości napięcia wyjś−

ciowego decyduje stosunek liczby zwojów uzwo−
jeń pierwotnego i wtórnego. Stosunek ten to tak
zwana przekładnia transformatora. Występującą
tu prostą zależność ilustruje rysunek F.

Obecnie rzadko pełnią tę rolę, bo zostały

wyparte przez znacznie dokładniejsze spe−
cjalne układy. Warto jednak wiedzieć, że do
dziś w ofertach firm handlowych można zna−
leźć diody Zenera o bardzo dobrej stabilności
cieplnej – ich napięcie zmienia się tylko
o 0,0005% przy zmianie temperatury o jeden
stopień Celsjusza. Co ciekawe, zawsze są to
diody o napięciu nominalnym 6,2V.

Jeśli nie jest potrzebna precyzja ani dokład−

ność, a potrzebne jest małe napięcie stabilizo−
wane, często zamiast diod Zenera używamy
diod LED, włączonych normalnie, w kierunku
przewodzenia – napięcie wynosi wtedy
1,6...2,2V, zależnie od typu diody i prądu pracy.

Inne diody

Oprócz „zwykłych” diod prostowniczych,
diod LED i diod laserowych, występuje wiele
innych rodzajów diod. Produkowane są na
przykład diody pełniące rolę kondensatorów
(1...300pF), gdzie pojemność zależy od napię−
cia (wstecznego). Stosowane są one powszech−
nie w układach radiowych i telewizyjnych.

W literaturze napotkasz też określenia:

diody Gunna, diody PIN, diody IMPATT, dio−
dy tunelowe czy diody waraktorowe. Są one
stosowane w układach bardzo wielkiej czę−
stotliwości, a amatorzy ich nie wykorzystują.

Natomiast diody lawinowe (avalanche

diode) nie są oddzielnym rodzajem diod.
Najprościej biorąc, są to zwykłe diody, które
trudniej uszkodzić – niektóre „zwykłe” diody
prostownicze są diodami, gdzie zachodzi
tzw. zjawisko lawinowe.

Układ scalony

Postęp techniki umożliwia umieszczenie na
maleńkim płatku krzemu wielu tranzystorów,
rezystorów, diod, a nawet małych kondensa−
torów. Powstaje wtedy układ scalony. Układ
scalony nie jest połączeniem miniaturowych
wersji znanych Ci rezystorów i tranzystorów.
Wyglądają one zupełnie inaczej. Wszystkie
składowe układu scalonego są wykonywane
w jednym cienkim płatku krzemu, a właści−
wie w cienkiej warstwie z jednej strony płyt−
ki krzemowej. Wytwarza się te niewątpliwe
cuda techniki w skomplikowanych procesach
technologicznych.

Czy wiesz, że...

mówimy o oporności pozornej,

czyli reaktancji kondensatora dla prze−

biegów zmiennych, ale określenie „rezy−

stancja pozorna” jest nieprawidłowe.

Nigdy tak nie mówimy.

Rys. 12

Fot. 8

Fot. 9

Rys. F

Czy wiesz, że...

Określenia: uzwojenie pierwotne

i uzwojenie wtórne są umowne. Wskazują

tylko kierunek przekazywania energii: z obwo−

du pierwotnego do wtórnego. Transforma−

tor może równie dobrze pracować

„w druga stronę”.

Ćwiczenie 8

Kondensator a prąd zmienny

Ośla łączka

A4

70

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

39

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Zmierz omomierzem rezystancję uzwo−
jenia pierwotnego transformatora uży−
wanego zasilacza AC 12/300. Nie mu−
sisz otwierać obudowy, zmierz rezystan−
cję między bolcami według rysunku 13.
Rezystancja mojego egzemplarza wyno−
si 964

Ω. Uzwojenie to jest dołączone

wprost do sieci energetycznej o napięciu
220V. Policzmy! Zgodnie z prawem
Ohma przez uzwojenie popłynie prąd
o wartości 220V/964

Ω = 0,23A. Prąd

0,23A przy napięciu 220V oznacza, że
chodzi o moc 50W. Moc 50W to dość
duża moc – zauważ, jak grzeje się ża−
rówka o mocy 60W czy nawet 40W.

Coś tu nie gra! W naszym małym za−

silaczu na pewno nie wydziela się 50
watów mocy. Nie sprawdzaj tego, wy−
starczy, że ja sprawdziłem – bez obcią−

żenia transformator zasilacza AC12/300
pobiera z

sieci jedynie 12,6mA

(0,0126A).

Gdzie tkwi błąd? Czy przy prądzie

zmiennym prawo Ohma nie obowiązuje?

Problem jest ciekawy i ważny.
Prawo Ohma przy prądzie zmiennym

obowiązuje. Prąd jest jednak mały, a to
znaczy, że dla prądu zmiennego uzwoje−
nie transformatora przedstawia duży

opór. Rezystancja rzeczywiście wynosi
964

Ω, ale pamiętaj, że rezystancja to

opór mierzony przy prądzie stałym.
Uzwojenie transformatora jest przecież
rodzajem cewki i jak każda cewka ma ja−
kąś indukcyjność. Okazuje się, że induk−
cyjność dla prądu zmiennego stanowi
dodatkowy opór. Analogicznie, jak
w przypadku kondensatorów nazywamy
go opornością pozorną cewki, a ściślej
reaktancją indukcyjną. Nie daj się zmy−
lić określeniu „pozorna”, pokutującemu
do dziś ze względów historycznych. Ta
oporność, reaktancja indukcyjna, istnieje
naprawdę i właśnie ona powoduje, że
prąd pobierany z sieci jest znikomy. To
jeszcze nie koniec tematu, ale na razie
nie będę Ci mieszał w głowie zagadnie−
niem mocy przy prądzie zmiennym.

Zestaw układ według rysunku 14a
i zmierz napięcie przewodzenia (U

F

) na

diodzie Zenera. Jest takie, jak w zwykłej
diodzie krzemowej.

Jeśli jednak włączysz diodę Zenera

„odwrotnie”, według rysunku 14b, cze−
ka Cię niespodzianka. Kontrolka LED
zaświeci, czyli w obwodzie popłynie
prąd. Jeśli masz woltomierz napięcia sta−
łego, zmierz napięcie na diodzie (napię−
cie wsteczne – U

R

). Wynosi tyle, co na−

pięcie nominalne tej diody, z 10% tole−
rancją. W zestawie elementów do tej
wyprawy znajdziesz diodę Zenera 5,6V.

Zmieniaj teraz wartość R1. Zastosuj

wartości 220

Ω i 10kΩ. Jasność diody

LED wskazuje, że prąd zmienia się
w bardzo szerokich granicach. A napię−
cie na diodzie Zenera? Zmierz je wolto−
mierzem i przekonaj się, że przy 50−
krotnej, czyli 5000−procentowej zmianie
prądu, zmienia się ono o drobne kilka

procent. Podczas testów modelu pokaza−
nego na fotografii 10, bez diody LED,
z diodą Zenera o napięciu 5,1V (C5V1)
uzyskałem wyniki pokazane w tabeli.

R1

Uwe

Uwy (U

R

)

220

Ω

17,1V

5,27V

1k

Ω

18,6V

5,15V

10k

Ω

19,3V

5,02V

Oczywiście są to napięcia transformatora nieob−
ciążonego (w stanie jałowym) – nie uwzględnia−
my tu spadków napięć na rezystancjach pod
wpływem prądu.

W przypadku transformatorów sieciowych

przekładnia nas praktycznie nie interesuje. Nie in−
teresuje nas też liczba zwojów (która wynika
z właściwości rdzenia, a nie z napięć). Napięcie
wejściowe to napięcie sieci energetycznej, wyno−
szące około 220...230V. W katalogu szukamy nie
przekładni, tylko wartości napięcia wyjściowego.

Tylko bez oszukaństwa

W elektronice wszystko działa zgodnie ze ścisłymi
prawami fizyki. Już wiesz, że o napięciu wyjścio−
wym transformatora decydują liczby zwojów,
a właściwie ich stosunek. A co z prądami i z mocą?

Idealny transformator w stanie jałowym (nie

obciążony) nie powinien pobierać z sieci prądu.
W rzeczywistości pobiera jakiś niewielki prąd. Po
dołączeniu obciążenia, w idealnym przypadku,

Ćwiczenie 9

Cewka a prąd zmienny

Ćwiczenie 10

Dioda Zenera

Rys. 13

Rys. 14

Czy wiesz, że...

Nazwa „dioda Zenera” pocho−

dzi od nazwiska jej wynalazcy, a na−

zwiska, jak wiadomo, piszemy

wielką literą.

Rys. G

Rys. H

Ośla łączka

A4

71

Ty sprawdź napięcie U

R

w układzie

z diodą LED według rysunku 14b. Jeśli
chcesz, sprawdź dodatkowo, o ile
zmieni się napięcie przy zmianach tem−
peratury diody. Ogrzewaj diodę suszar−
ką do włosów albo delikatnie lutowni−

cą. Przekonasz się, że zmiany napięcia
pod wpływem zmian temperatury są
niewielkie.

Słusznie więc dioda Zenera nazywana

jest diodą stabilizacyjną lub krótko
stabilizatorem.

TECHNIKALIA

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

40

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Proste

zasilacze

niestabilizowane,

omówione w ćwiczeniu 4, są niedosko−
nałe − napięcie zmniejsza się pod wpły−
wem obciążenia i występują w nim tęt−
nienia. Aby usunąć te wady, dodaje się
układy stabilizujące napięcie wyjściowe.

Na rysunku 15 znajdziesz schemat

najprostszego stabilizatora, gdzie elemen−
tem stabilizującym napięcie jest dioda Ze−
nera. Zwróć uwagę, że dioda Zenera jest
włączona w typowy dla niej sposób, czy−
li... odwrotnie niż inne diody. Na margine−
sie dodam, że właśnie ze względu na taki
tryb pracy, niektórzy amatorzy stwarzają
zamieszanie, używając nieprecyzyjnych
określeń „plus diody” i „minus diody”.
Zamiast nich należy używać określeń:
anoda, katoda, a wtedy nie będzie proble−
mu. Trzeba tylko pamiętać, że podczas
normalnej pracy w diodach Zenera bar−
dziej dodatnie napięcie występuje na kato−

dzie, odwrotnie niż w innych diodach.

Ze stabilizatora o schemacie z rysunku

15 nie można pobrać dużego prądu – ogra−
niczeniem jest rezystancja R1. Wystarczy
jednak dodać tranzystor(y) według rysun−
ku 16a lub 16b, a wydajność prądowa bę−
dzie większa. Napięcie wyjściowe jest
o około 0,6V mniejsze, niż napięcie na dio−
dzie Zenera. Dawniej stabilizatory o sche−
macie z rysunku 15a wykorzystywano
w praktyce, ale dziś mamy nieporównanie
lepsze rozwiązania. Fotografia 11 pokazu−
je model, zmontowany prowizorycznie we−
dług rysunku 15b z diodą C5V1. Bez obcią−
żenia napięcie wyjściowe wynosiło 4,9V.
Z obciążeniem 10k

Ω (0,5mA) − 4,74V,

z obciążeniem 220

Ω (20mA) – 4,64V, z ob−

ciążeniem 10

Ω (450mA) – 4,5V.

moc pierwotna pobierana z sieci powinna być do−
kładnie równa mocy wtórnej, oddawanej do obcią−
żenia. Ilustruje to rysunek G. Możemy zapisać

Pwe = Pwy
Uwe*Iwe=Uwy*Iwy
A jaka konkretnie jest jedna i druga moc?
To zależy od obciążenia. Obciążenie decyduje

o tym, jaka moc jest pobierana z sieci. Przy braku
obciążenia moc pobierana z sieci powinna być
równa zeru.

Teraz chodzi nam jednak o coś innego. Jak

wiesz, w transformatorze występują straty. Po−
wodem są głównie rezystancja uzwojeń oraz tak
zwane straty w rdzeniu. W rezultacie moc pobie−

rana (z sieci) jest zawsze trochę większa od mo−
cy oddawanej do obciążenia. Część mocy jest
tracona w transformatorze, oczywiście w postaci
ciepła.

Jakiego rzędu są to straty? Możesz przyjąć w

przybliżeniu, że traci się około 10...15% mocy.
Zwykle zamiast podawać ile tracimy, podajemy
jaki procent mocy przechodzi do obciążenia.
Oczywiście jest to stosunek mocy wyjściowej do
wejściowej, Nazywamy go sprawnością, wyraża−
my w procentach i zwykle oznaczamy małą grec−
ką literką eta (

η − eta).

η = Pwy/Pwe
Ilustruje to rysunek H.

Tranzystor zamiast

grzejnika?

Dopuszczalna moc strat tranzystora jest zawsze dużo
mniejsza od iloczynu maksymalnego prądu kolektora
i maksymalnego napięcia kolektor−emiter. Przykłado−
wo popularne tranzystory BC548, BC558 mają dopu−
szczalną moc strat równą 500mW (0,5W). Taka moc
wydzieli się na przykład wtedy, gdy napięcie kolektor−
emiter wynosi 15V, a prąd kolektora wynosi 33mA.

Zwróć uwagę, że dopuszczalny prąd kolektora

tych tranzystorów wynosi 100mA, a maksymalne
napięcie U

CE0

wynosi 30V (ich iloczyn to

30V*0,1A=3W).

Fotografia poniżej pokazuje kilka układów
scalonych, głównie stabilizatorów. Podstawo−
wym „budulcem” układów scalonych są wła−
śnie tranzystory (bipolarne lub MOSFET−y).
Układ scalony może też zawierać diody, re−
zystory, niewielkie kondensatory, ale w mia−
rę możliwości elementy te są zastępowane
tranzystorami. Praktycznie niemożliwe jest
wykonanie scalonych cewek (chyba że o zni−
komo małej indukcyjności).

Rys. 15

Ćwiczenie 11

Zasilacz stabilizowany

Fot. 10

Fot. 7

Ośla łączka

A4

72

ELEMENT

arz

E

LEMENT

arz

E

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

85

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Na rysunku 17 znajdziesz schemat sta−
bilizatora, powszechnie stosowanego
w praktyce. Taką budowę ma zasilacz
stabilizowany, którego używaliśmy na
poprzednich wyprawach. W zestawie

elementów do tej wyprawy (A04) znaj−
dziesz element oznaczony 7805. Jest to
tak zwany układ scalony – zawiera
w środku kilkadziesiąt tranzystorów i re−
zystorów − kompletny stabilizator.

Jeśli tranzystor pracuje jako przełącznik, nawet

przy prądzie i napięciu maksymalnym moc strat jest
mała. Przykładowo w pierwszym układzie z rysun−
ku J w stanie otwarcia tranzystora wydziela się
w nim mniej niż 100mW. Prąd wynosi wprawdzie
100mA, ale napięcie w pełni otwartego (nasycone−
go) tranzystora jest mniejsze niż 1V. Oczywiście
w

rezystorze wydziela się aż 3W

mocy

(100mA*30V). W stanie zatkania ani w tranzysto−
rze, ani w rezystorze nie wydziela się moc, bo prąd
kolektora jest równy zeru.

Tranzystory mocy w obudowach TO−220 mają

moc strat nawet do 125W (!), ale wszystko zależy

od zastosowanego radiatora. Bez radiatora tranzy−
stor mocy w tej popularnej obudowie TO−220 mo−
że rozproszyć tylko 1,5...2W mocy.

Straty mocy występują także na diodach, o czym

armatorzy często zapominają. W zwykłej diodzie
krzemowej napięcie przewodzenia wynosi przy ma−
łych prądach 0,6V, ale przy większych 0,8V czy na−
wet 1V. Oznacza to, że przy prądzie 3A na takiej
zwykłej diodzie wydzieli się w postaci ciepła moc
około 2,4...3W, co spowoduje silne grzanie.

Lepiej jest z diodą Schottky’ego, w której

przy tym samym prądzie będzie się wydzielać co
najwyżej 1,5W mocy strat.

Moc strat jest ściśle związana

z temperaturą. W sumie chodzi o to,
by nie przekroczyć temperatury około
+150

o

C, bo w wyższych temperatu−

rach radykalnie rośnie ryzyko uszko−
dzenia struktury półprzewodnikowej.

Przy opisywaniu zależności ciepl−

nych w elementach elektronicznych
posługujemy się parametrem zwanym
rezystancją termiczną, wyrażanym
w stopniach Celsjusza na wat (

o

C/W)

lub w kelwinach na wat (K/W) i ozna−
czaną Rthja. Rezystancja termiczna
wskazuje, na ile skutecznie ciepło jest
odprowadzane z półprzewodnikowej

struktury do otoczenia. Oczywiście, czym mniej−
sza ta rezystancja, tym lepiej, bo w elemencie
można wydzielić więcej mocy strat bez ryzyka
przegrzania. Przykładowo rezystancja termiczna
tranzystora BC548(558) wynosi 250K/W, podob−
ny z wyglądu tranzystor BC328(338) ma rezystan−
cję termiczną 200K/W, a tranzystor mocy (TO−
220) bez radiatora − około 60K/W. W przypadku
tranzystorów mocy interesuje nas też rezystancja
termiczna między złączem a obudową. Oznacza
się ją Rthjc; dla tranzystorów w obudowach TO−
220 wynosi 1...1,5K/W. Przy obliczeniach trzeba
dodać do niej rezystancję termiczną użytego radia−
tora. Ten temat wykracza jednak poza ramy Oślej
łączki i nie będziemy go rozwijać.

Reaktancja pojemnościowa

W trakcie poprzednich wypraw sprawdziliśmy, że
kondensator gromadzi energię elektryczną i często
w układach pełni rolę lokalnego, niewielkiego ma−
gazynku energii. To jeden z obszarów zastosowań
kondensatorów.

Budowa i symbol kondensatora wskazują, że ze

względu na obecność izolatora nie może przezeń pły−
nąć prąd stały. Teraz, podczas ćwiczenia 8 okazało
się, że przez kondensator może płynąć prąd zmienny.

Przy prądzie zmiennym kondensator zacho−

wuje się jak opornik o oporności zależnej od

Istnieje nieprzeliczone mnóstwo typów

i rodzajów układów scalonych, pełniących
najróżniejsze zadania w komputerach, telewizo−
rach, telefonach, itp. Właściwie cała współcze−
sna elektronika, w tym także elektronika kom−
puterowa, opiera się na układach scalonych.

Układ scalony nie ma ustalonego symbo−

lu. Na schematach stosuje się różne symbole,
zwykle w postaci małych prostokątów.

Stabilizatory używane w ćwiczeniach są

elementami stosunkowo prostymi, zawierają−
cymi kilkadziesiąt elementów. Rysunek na
poprzedniej stronie pokazuje schemat we−
wnętrzny układu LM317, a następny rysunek
pokazuje w powiększeniu rozmieszczenie
tych elementów na płytce krzemowej (która
ma wymiary 2,38x2,13mm). W jednej płytce
krzemowej o powierzchni mniejszej niż cen−
tymetr kwadratowy można umieścić dziesiąt−
ki, setki, tysiące, a nawet miliony tranzysto−
rów. Dwie długie, a wąskie fotografie na sa−
mym dole poprzedniej strony pokazują frag−
menty struktury układów scalonych firmy
National Semiconductor. Nieco więcej wia−
domości o układach scalonych podam Ci na
następnej wyprawie.

Ćwiczenie 12

Typowy zasilacz

stabilizowany

Czy wiesz, że...

Polski uczony, profesor Jan

Czochralski (1885−1953), na początku

XX wieku wynalazł metodę wytwarzania

czystych (mono)kryształów krzemu,

z których produkuje się układy

scalone.

Fot. 11

Rys. 16

Ośla łączka

A4

73

Rys. J

Oprócz obwodów regulacji napięcia za−
wiera obwody dodatkowe, zabezpiecza−
jące przed uszkodzeniem w przypadku
zwarcia lub nadmiernego wzrostu tem−
peratury. Więcej na temat układów sca−
lonych szukaj w częściach ELEMEN−
Tarz i TECHNIKALIA.

Według rysunku 17 zbudujesz naj−

prawdziwszy, porządny zasilacz stabili−
zowany o napięciu wyjściowym 5V. Je−
śli kupisz w sklepie stabilizator oznaczo−
ny 7809, możesz zbudować zasilacz
o napięciu wyjściowym 9V, z układem
7812 – o napięciu 12V. Fotografia 12
przedstawia prowizoryczny model ze
stabilizatorem 12−woltowym, zbudowa−
ny w najprostszy sposób.

Koniecznie zbuduj układ według ry−

sunku 17, będziesz z niego korzystać.
Zbadaj też jego właściwości. W zasila−
czu z poprzedniego ćwiczenia, zbudo−
wanym z pojedynczych elementów (czę−
ściej mówimy – z elementów dyskret−
nych), napięcie wyjściowe zauważalnie
malało przy wzroście obciążenia. A na−
pięcie wyjściowe zasilacza z układem
scalonym 7805 przy dołączeniu rezysto−
rów 10k

Ω, 220Ω i 10Ω?

Możesz dołączyć do wyjścia brzę−

czyk piezo. Wyda czysty ton, bez śladu
terkotu. Przekonasz się, że napięcie
wyjściowe jest naprawdę stabilne
i praktycznie się nie zmienia. Dopiero
przy dużym prądzie nieco się zmniejszy,
ale nie z winy stabilizatora, tylko zbyt
małego transformatora.

TECHNIKALIA

częstotliwości − czym większa częstotliwość,
tym mniejsza oporność.

Ponieważ jednak nie chodzi o rezystancję,

oporność tę nazywa się reaktancją pojemnościo−
wą i oznacza nie literą R, tylko X

C

. Czasem może

spotkasz też określenie oporność bierna. Ze
względów historycznych przy takich okazjach
używano też określenia oporność pozorna. Nie bę−
dziemy używać tego określenia, ponieważ słowo
„pozorny” może wywołać mylne skojarzenia.

Reaktancję

pojemnościową

wyrażamy

w omach, bo jest to rodzaj oporności.

Nie są to „jakieś inne omy”, trzeba tylko pa−

miętać, że reaktancja to opór dla prądu przemien−

nego o jakiejś częstotliwości.

Reaktancji kondensatora nie można zmierzyć

omomierzem, ale znając pojemność można ją ła−
two obliczyć ze wzoru:

Zamiast za każdym razem obliczać wartość

wyrażenia 1/2

π, można ją obliczyć raz, uzyskując

wzór:

gdzie f częstotliwość w hercach, Cpojemność

w faradach, X

C

– reaktancja w omach.

Kondensatory wykazują także ciekawą i poży−

teczną właściwość: chwilowy prąd płynący przez
kondensator (prąd ładowania lub rozładowania)
jest ściśle związany z szybkością zmian napięcia
na jego końcówkach. Wykorzystywane to jest do
przeprowadzania operacji całkowania i różnicz−
kowania − są to jednak zagadnienia dla bardziej
zaawansowanych.

Reaktancja indukcyjna

Ćwiczenie 9 doprowadziło nas do wniosku, że
uzwojenie cewki (transformatora, będącego
odmianą cewki) stawia prądowi zmiennemu dodat−
kowy opór. Jest to reaktancja indukcyjna.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

86

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Źródła napięcia odniesienia

Ćwiczenie 15 zapoznaje z elementami, które
zachowują się jak dioda Zenera, ale znacznie
lepiej stabilizują napięcie. Jak wskazuje na−
zwa, dioda Zenera jest stosunkowo prostym
elementem. Natomiast podzespoły oznaczo−
ne LM385 i TL431 to układy scalone. Stąd
ich znacznie lepsze właściwości.

Choć są to układy scalone, ze względu na

pełnioną rolę na schematach najczęściej
oznaczamy je symbolem oznaczającym dio−
dę Zenera. Powyższa fotografia pokazuje
kilka układów scalonych, które są źródłami
napięcia wzorcowego (odniesienia).

Najważniejszym parametrem omawianych

układów scalonych, obok napięcia nominal−
nego, jest współczynnik cieplny. Informuje
on, na ile napięcie zmienia się pod wpływem
temperatury. Powszechnie dostępne układy
LM385, TL431 czy LM336 mają współczyn−
nik cieplny w

granicach 100ppm/

o

C

(0,01%/

o

C). Oznacza to, że przy zmianie tem−

peratury otoczenia z +20

o

C do +30

o

C napięcie

zmieni się tylko o 0,1%, czyli na przykład
z 2,5000V na 2,5025V.

W szczególnie precyzyjnych układach

profesjonaliści stosują znacznie droższe
źródła napięcia odniesienia o rewelacyj−
nie małym współczynniku cieplnym rzę−
du 1...3ppm/

o

C. Tobie wystarczą popular−

ne i tanie układy o współczynniku
100ppm/

o

C.

Ośla łączka

A4

74

Rys. 17

Fot. 12

fC

X

c

π

=

2

1

fC

X

c

16

,

0

=

Fot. 10

W zestawie elementów A04 znajdziesz
też dwa bardzo interesujące elementy,
zachowujące się podobnie jak dioda
Zenera.

W układzie z rysunku 19 sprawdź na

ile zmienia się napięcie układu LM385−
2.5 przy zmianach prądu, czyli przy róż−
nych wartościach R1 (220

Ω, 1kΩ,

10k

Ω, 100kΩ).

I co? Rewelacja, prawda? Ja testowa−

łem układ LM385 1,2V pokazany na fo−
tografi 14 – przy zmianie rezystora
z 1k

Ω na 100kΩ prąd malał 100−krotnie,

a napięcie zmniejszało się jedynie
o 6mV.

Zbuduj też „diodę Zenera” o regulo−

wanym napięciu w oparciu o układ
scalony TL431 według rysunku 20 i fo−
tografii 15. Sprawdź, w jakich grani−
cach możesz regulować potencjometrem
„napięcie Zenera”. Pamiętaj, że do
poprawnej pracy prąd „katody” układu

TL431 nie może być mniejszy niż 1mA,
ani większy niż 100mA.

Sprawdź też koniecznie za pomocą

woltomierza cyfrowego i suszarki do

TECHNIKALIA

87

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

W ramach tego ćwiczenia zbudujesz zasilacz stabilizowany z regula−
cją napięcia wyjściowego. Wykorzystaj rysunek 18, pomocą będzie
też fotografia 13.

Tym razem wykorzystujemy inny bardzo popularny układ scalony

o oznaczeniu LM317. Ma on inną budowę wewnętrzną i inny rozkład
wyprowadzeń, niż układy rodziny 78XX. Pozwala dowolnie regulować
napięcie wyjściowe za pomocą dwóch rezystorów. My jeden z rezysto−
rów zastąpiliśmy potencjometrem, dzięki czemu możemy płynnie regu−
lować napięcie. Możesz śmiało wykorzystywać taki zasilacz w prakty−

ce. Model z fotogra−
fii zmontowany jest
w najprostszy i nie−
zbyt praktyczny spo−
sób. Jeśli chcesz go
wykorzystać, zmon−
tuj go na kawałku
płytki uniwersalnej
lub w solidnym „pa−
jąku”, przy czym sta−
bilizator

wyposaż

w niewielki blaszany
radiator.

Oznaczamy ją XL. Dla prądu stałego, o którym
można powiedzieć, że ma częstotliwość równą
zeru, cewka ma opór równy rezystancji uzwoje−
nia. Opór ten można zmierzyć omomierzem.
Przy większych częstotliwościach dochodzi do
tego opór związany z indukcyjnością cewki.
Czym większa częstotliwość, tym większy opór
(reaktancję indukcyjną) ma cewka. Reaktancji
nie można zmierzyć omomierzem, ale można ją
obliczyć ze wzoru

lub

gdzie f częstotliwść w hercach, L indukcyjność
w henrach, X

L

– reaktancja w omach. W praktyce

rzadko korzystamy z tego wzoru.

Nie będę Ci tego szczegółowo tłumaczył, ale

zapamiętaj już teraz, że reaktancja indukcyjna jest
w pewnym sensie odwrotna czy przeciwna w sto−
sunku do reaktancji pojemnościowej.

Czy wiesz, że...

Elektrycy i elektronicy opowiadają

dowcip „wyjaśniający” wzrost oporności

cewki dla przebiegów zmiennych. Według jed−

nej wersji prąd zmienny zaplątuje się w zwo−

jach cewki. Według innej „nie wyrabia

się na zakrętach”.

Rys. 19

fLX

L

π=2

f8,6

Ćwiczenie 13

Zasilacz regulowany

Ćwiczenie 14

Źródła napięcia odniesienia.

Regulowana dioda Zenera

Ośla łączka

A4

75

Rys. 18

fL

X

L

π

= 2

fL

X

L

28

,

6

=

Fot. 13

Fot. 14

88

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Dodawanie reaktancji

Na pierwszej wyprawie przekonaliśmy się, że przy
szeregowym połączeniu dwóch jednakowych rezy−
storów rezystancja wypadkowa jest równa
podwójnej wartości rezystancji każdego rezystora.
Połączenie równoległe tych dwóch rezystorów da
połowę rezystancji każdego z nich.

A przy połączeniu w szereg cewki i kondensatora?
O, to nie jest takie proste! Reaktancje zależą od

częstotliwości: pojemnościowa maleje ze wzro−
stem częstotliwości, indukcyjna rośnie. Pomyśl:
dla jakiejś częstotliwości reaktancja pojemnościo−
wa będzie liczbowo równa reaktancji indukcyjnej.

Przypuśćmy, że jakaś cewka i jakiś kondensa−

tor mają dla częstotliwości 100Hz reaktancje rów−
ne 1,6k

Ω (możesz obliczyć pojemność i indukcyj−

ność, ale nie o to chodzi). Jeśli połączymy tę cew−
kę i kondensator w szereg, to czy przy częstotliwo−
ści 100Hz oporność będzie równa 3,2k

Ω?

Nie! Wypadkowa oporność będzie... bliska ze−

ru i wyniesie ułamek oma (w praktyce będzie to re−
zystancja cewki).

Dlaczego? Reaktancje niejako się zniosą – wcze−

śniej zasygnalizowałem, że reaktancje pojemnościo−
wa i indukcyjna są w pewnym sensie przeciwne.

A jak wobec tego zachowają się przy połącze−

niu równoległym i przy częstotliwości 100Hz?

Tym razem, o dziwo, wypadkowa oporność bę−

dzie bardzo duża, rzędu wielu kiloomów.

Może wyda Ci się to bardzo tajemnicze. Nie

będziemy się jednak w to wgłębiać. Wspomnę tyl−
ko, że właśnie omówiliśmy w ekspresowym tem−
pie zjawisko tak zwanego rezonansu.

W praktyce mamy do czynienia z rozmaitego

rodzaju połączeniami rezystorów, cewek i konden−
satorów. Przykłady pokazane są na rysunku K.
Każdy z tych obwodów (dwójników) ma jakąś wy−
padkową oporność. Oporność ta zależy od często−
tliwości. Zamiast ogólnego określenia „oporność
wypadkowa” używamy fachowego terminu impe−
dancja, rzadziej: oporność zespolona. Wypadko−
wa oporność przy szeregowym połączeniu rezysto−
ra i kondensatora (cewki) nie jest zwykłą sumą
R+X

C

(R+X

L

)

Tym wątkiem też nie będziemy się bliżej zaj−

mować. Na razie zapamiętaj, że impedancja to
oporność wypadkowa dotycząca nie tylko prądu
stałego, ale i zmiennego.

Dlaczego obcina?

Stabilizator nie może zwiększyć napięcia. On nie−
jako obcina napięcie i z większego robi mniejsze
o stabilnej wartości. Zauważ, że napięcie wyj−
ściowe (każdego) stabilizatora musi być mniej−
sze niż najmniejsze chwilowe napięcie na kon−
densatorze filtrującym. Ilustruje to rysunek L,
pokazujący napięcia
bez obciążenia i przy
znacznym obciążeniu
(Imax). Gdyby prąd
był większy niż Imax,
napięcie UA spadnie
jeszcze bardziej, tęt−
nienia będą jeszcze
większe i stabilizator
nie będzie w stanie

utrzymać właściwego napięcia wyjściowego. Na−
pięcie wyjściowe zmniejszy się, i co gorsza, prze−
stnie być „czystym” napięciem stałym − pojawią
się w nim tętnienia.

Aby stabilizator mógł pracować poprawnie, mu−

si na nim występować określone napięcie (spadek
napięcia) – na rysunku L jest to napięcie U

ABmin

.

Jedną z istotnych wad prostych stabilizatorów jest

to, że do prawidłowego działania wymagają znaczne−
go spadku napięcia między wejściem a wyjściem. In−
aczej mówiąc, napięcie na obciążeniu musi być przy−
najmniej o kilka woltów mniejsze od napięcia na
kondensatorze filtrującym C1. Ma to ścisły związek
z bardzo ważną wielkością: mocą strat w tranzystorze
T1. Czym większe napięcie na stabilizatorze, tym
większe straty mocy i potrzebny jest większy radiator.

Stabilizatory scalony LM78xx i LM317 do pra−

widłowej pracy wymagają spadku napięcia na stabili−
zatorze rzędu 1...2V, zależnie od prądu obciążenia.
Istnieją też specjalne stabilizatory, oznaczane LDO
(z ang. Low Drop Out), pracujące poprawnie już przy
spadku napięcia na stabilizatorze rzędu 0,1...0,3V.

Pozwalają one lepiej wykorzystać możliwości

transformatora.

włosów, na ile napięcie w obu układach
zmienia się z temperaturą. Stabilność jest
dużo lepsza, niż w przypadku diody Ze−
nera z ćwiczenia 10.

Poznane elementy można stosować

do budowy zasilaczy, jednak zazwyczaj
wykorzystywane są do innych celów,
zwłaszcza w aparaturze pomiarowej,
właśnie jako źródła napięcia wzorcowe−
go (odniesienia)

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW

Informacje dotyczące zestawu

EdW−04 do „Oślej łączki“ oraz

zasilacza AC12/300 znajdują się

na stronie 120.

Rys. 20

Fot. 15

Rys. K

Rys. L

Ośla łączka

A4

76

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA