A4

61

37

Ośla łączka

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

Wyprawa czwarta − A4

Świecące paski, Zasilacz laboratoryjny, Prostowniki,

Stabilizator regulowany, Stabilizator LDO,

Źródło napięcia wzorcowego,

Powielacze napięcia, Regulowana dioda Zenera,

Ładowarka akumulatorów kwasowych,

Ładowarka akumulatorów NiCd,

Rozładowarka wyrównująca

stabilizatory

potencjometr

montażowy

potencjometr

zasilacz

AC 12V 300mA

diody LED

dioda Zenera

mostek

prostowniczy

źródła napięcia

odniesienia

kondensatory

rezystory

diody

tranzystory

brzęczyk

piezo

Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa
się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne−
go, mało stromego stoku, jednym słowem − oślej łączki.
Dopiero gdy na takiej oślej łączce nauczysz się podstaw,
będziesz w stanie bezpiecznie zjechać z Kasprowego.

Niniejszy cykl jest odpowiednikiem wypraw na taką

oślą łączkę. Poszczególne wyprawy pozwalają poznać ko−
lejne najważniejsze zagadnienia elektroniki. Kurs został
pomyślany, by przede wszystkim bawić, a przy okazji
uczyć. Zabawa polega na wykonywaniu różnych poży−
tecznych i ciekawych układów.

W niniejszym cyklu wszelkie interpretacje fizyczne są

mocno uproszczone (o ile w ogóle są), a główna uwaga
jest skierowane na zagadnienia praktyczne. Uwydatnia to
charakterystyczna struktura kursu − każdy odcinek zawie−
ra cztery bloki, wyróżnione kolorami.

Najważniejszy blok to umieszczone na białym tle ćwi−

czenia praktyczne. Podane tu informacje całkowicie wy−
starczą do zbudowania i uruchomienia opisanych ukła−
dów. Nie lekceważ tych ćwiczeń! Samo przeczytanie te−

kstu nie dostarczy Ci wszystkich najważniejszych infor−
macji. Dopiero praktyczne wykonanie i zbadanie zapropo−
nowanych układów pozwoli wyciągnąć wnioski i w pełni
zrozumieć opisane zagadnienia.

Wyróżniony niebieskim kolorem ELEMENTarz

przybliża użyte w ćwiczeniach elementy oraz zawiera in−
ne niezbędne wiadomości.

Warto poświęcić trochę czasu i starannie przeanalizo−

wać zamieszczone na żółtym tle TECHNIKALIA − czyli
najważniejsze wyjaśnienia techniczne. Biblioteczka
praktyka − czwarty blok, wyróżniony kolorem różowym,
jest przeznaczony dla osób, które chcą projektować wła−
sne układy. W tej części prezentowane są podstawowe
wiadomości niezbędne młodemu konstruktorowi.

Niniejszy materiał jest czwartą wyprawą na oślą łącz−

kę. Aby bezboleśnie rozpocząć swą przygodę z elektroni−
ką, warto zacząć od lekcji pierwszej, oznaczonej A1. Po−
dane są tam podstawowe informacje, w tym dotyczące
montażu oraz kodu kolorowego, stosowanego do oznacza−

nia rezystorów. Kolejne odcinki publikowane są w Elek−
tronice dla Wszystkich, począwszy od numeru 10/2000.

Archiwalne numery Elektroniki dla Wszystkich oraz

zestawy wszystkich elementów oraz materiałów niezbęd−
nych do przeprowadzenia ćwiczeń dostarczane są przez
firmę AVT − szczegóły podano w ramce na końcu artyku−
łu (EdW 8/2001) oraz na stronach 119−123 tego numeru.

Podczas czwartej wyprawy wykonasz kolejne wspa−

niałe i pożyteczne układy. Zajmiemy się bardzo pożytecz−
nymi układami: prostownikami, zasilaczami i stabilizatora−
mi. Poznasz też podstawowy przyrząd pomiarowy elektro−
nika − oscyloskop. Oczywiście nie musisz kupować oscy−
loskopu − wszystkie opisane ćwiczenia wykonasz z powo−
dzeniem bez niego. Do ćwiczeń będzie natomiast niezbęd−
ne źródło napięcia zmiennego − proponuję wykorzystać
zasilacz napięcia zmiennego o oznaczeniu AC 12/300.

Życzę sukcesu także na tej wyprawie

Piotr Górecki

Kto wymyślił

tyle parametrów?

Do precyzyjnego określenia prądu lub napięcia
stałego wystarczy jeden parametr: niezmienne
w czasie napięcie (w woltach) lub natężenie prą−
du (w amperach). Inaczej jest z przebiegami
przemiennymi. Ważnym parametrem przebiegu
zmiennego (przemiennego) jest częstotliwość,
czyli liczba cykli w ciągu jednostki czasu (licz−
ba pełnych drgań na sekundę). Częstotliwość
wyrażamy w hercach (Hz), a oznaczamy małą,
a niekiedy dużą literą f, np.: f=100Hz lub
F=100Hz.

Częstotliwość przebiegu w sieci energetycznej

wynosi dokładnie 50Hz (50 cykli na sekundę).
W elektronice mamy do czynienia z przebiegami
o częstotliwościach rzędu tysięcy (kHz – kiloherc),
milionów (MHz – megaherc), a nawet miliardów
herców (GHz – gigaherc). Przykładowo antena sa−
telitarna odbiera przebiegi o częstotliwościach oko−
ło 12GHz, czyli 12 miliardów drgań na sekundę.

Częstotliwość, czyli liczba cykli na sekundę,

ściśle wiąże się z czasem. Niekiedy potrzebna jest
znajomość czasu trwania jednego cyklu. Czas
trwania jednego cyklu to okres przebiegu. Ozna−
czamy go dużą literą T i wyrażamy w sekundach
lub ułamkach sekundy. Znając częstotliwość, łatwo

obliczyć okres i vice versa.

T = 1/f
f = 1/T
Przykładowo przebieg o częstotliwości 50Hz

ma okres równy 20ms.

Prąd zmienny

Ogólnie biorąc, prąd zmienny to taki, który do−
wolnie zmienia w czasie swą wartość i kieru−
nek. Zmiany mogą być różne. Rysunek 1 po−
kazuje kilka przebiegów zmiennych. Jeśli war−
tości prądu (i napięcia) są na przemian dodat−
nie i ujemne, a ich średnia wartość wynosi ze−
ro, mamy do czynienia z prądem przemien−
nym. Rysunek 2 pokazuje trzy przebiegi prze−
mienne (prostokątny, trójkątny i impulsowy).

Uwaga! Tym razem musisz użyć zasilacza prądu zmiennego.
Nie nadaje się tu zasilacz będący odpowiednikiem baterii,
którego używaliśmy podczas poprzednich wypraw. Wszystkie
ćwiczenia tej wyprawy były przygotowane i sprawdzone
z wtyczkowym zasilaczem prądu zmiennego o oznaczeniu
AC 12/300 (12V 300mA). Ten zasilacz zawiera jedynie trans−
formator sieciowy. W zasadzie można byłoby użyć tak zwane−
go transformatora dzwonkowego, jednak ani Autor ani Redak−
cja EdW ze względów bezpieczeństwa nie zalecają użycia
transformatora dzwonkowego, a tym bardziej innych transfor−
matorów. Zasilacz AC 12/300 nie wchodzi wprawdzie w skład
zestawu elementów do wyprawy A04, jednak można go za−
mówić oddzielnie – patrz oferta AVT na stronach 119...121.

Uwaga! Nie wolno zwierać ze sobą końcówek wyjścio−

wych zasilacza, bo może to spowodować jego przegrzanie
i trwałe uszkodzenie!

W gniazdku sieci energetycznej występuje tak zwane

napięcie przemienne o wartości 210...230V. Transformator na−
szego zasilacza zamienia je na bezpieczne napięcie o wartości

A4

62

38

Ośla łączka

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

E

LEMENT

arz

TECHNIKALIA

Ćwiczenie 1

Prąd zmienny i przemienny.

Świecące paski.

Czy wiesz, że...

nazwa jednostki częstotliwości,

herc, pochodzi od nazwiska niemiec−

kiego badacza, Heinricha Hertza.

Prąd elektryczny przepływający przez ciało
człowieka nie jest obojętny dla zdrowia.
Czym większe napięcie, tym większy prąd
i większy wpływ na organizm.

Napięcia nie przekraczające 24V uznaje

się za bezwzględnie bezpieczne.

Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są

za niebezpieczne. Napięcie w domowym gnia−
zdku sieci energetycznej wynosi 220...230V −
jest to więc napięcie groźne dla życia!

Przeprowadzanie prób

z układami dołączonymi

wprost do sieci grozi śmiercią!

Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać

budowane układy z fabrycznego, atestowa−
nego zasilacza, który co prawda jest dołą−
czany do sieci, ale zastosowane rozwiązania
zapewniają galwaniczną izolację od sieci
i pełne bezpieczeństwo.

Rys. 1

Rys. 2

Fot. 1

Informacja o częstotliwości nie w pełni cha−

rakteryzuje przebiegi przemienne. Trzeba jakoś
podać ich wartość, a może kształt. Czy przebie−
gi napięcia, pokazane na rysunku A, mają jed−
nakową wartość?

Jedno, co można powiedzieć to: mają stałą

amplitudę, czyli maksymalne odchylenie od
wartości średniej. W pokazanych przypadkach
wartość średnia wynosi zero, bo są to przebie−
gi przemienne.

Czujesz też chyba intuicyjnie, że żarówka

podłączona do napięcia prostokątnego z rysun−
ku pierwszego będzie świecić jaśniej niż żarów−
ka zasilana napięciem o kształcie zbliżonym do
zębów piły z rysunku drugiego. Tak samo ilość
ciepła wydzielonego w rezystorze zasilanym ta−
kimi przebiegami będzie różna. W każdym
przypadku skutek (ilość wydzielonego ciepła)
będzie inny. Amplituda jest jednakowa, a skutki
różne. Aby porównać jakoś przebiegi pod

względem ich działania (wydzielania ciepła)
wprowadzono pojęcie wartości skutecznej. To
duży temat, nie będziemy się weń wgłębiać. Na
razie przyjmij, że wartość skuteczna prądu zmien−
nego to taka wartość prądu stałego, który wydzie−
li na rezystancji obciążenia tyle samo ciepła, co
badany prąd zmienny. Przeanalizuj też rysunek
B, ilustrujący parametry fundamentalnego prze−
biegu – napięcia (prądu) sinusoidalnego. Właśnie
sinusoida jest podstawowym, niejako pierwotnym
i naturalnym przebiegiem przemiennym. W przy−
szłości dowiesz się dokładniej, że przebiegi o naj−
rozmaitszych kształtach w rzeczywistości są zło−
żeniem pewnej liczby przebiegów sinusoidal−
nych. Na razie zapamiętaj, że wartość szczytowa
sinusoidy jest , czyli 1,41...razy większa od
wartości skutecznej.

Dla przebiegu prostokątnego (pierwszy prze−

bieg na rysunku A) wartość skuteczna jest równa
jego amplitudzie, wartość średnia jest równa zeru.

Prąd przemienny często oznaczamy

skrótem AC (ang. Alternate Current),
w odróżnieniu od prądu stałego, który ozna−
czamy DC (Direct Current). Podczas pierw−
szej wyprawy porównaliśmy prąd elektrycz−
ny z przepływem wody w rurach. W instala−
cji wodociągowej woda może płynąć tylko
w jednym kierunku – odpowiednikiem tego
jest prąd stały (ściślej: jednokierunkowy)

Analogią obwodu prądu zmiennego była−

by pompa tłokowa, powodująca przepływ
wody raz w jedną, raz w drugą stronę, co ilu−
struje rysunek 3.

Podobnie jest z prądem zmiennym (ściślej:

przemiennym) w sieci energetycznej – elek−
trony poruszają się raz w jedną, raz w drugą
stronę, a biegunowość napięcia zasilającego
zmienia się 50 razy na sekundę – fachowo po−
wiemy: z częstotliwością 50 herców (50Hz).

kilkunastu woltów. Jeśli do transformatora
dołączysz diodę LED i rezystor według
rysunku 1, będzie świecić niezależnie od
kierunku włączenia. Nie bój się o bieguno−
wość. Wprawdzie na schemacie zaznaczy−
łem umowne punkty A, B, jednak żaden
z przewodów nie jest wyróżniony – prze−
konaj się, że tym razem nie ma tu „plusa
i minusa”, a układ zachowuje się tak samo
przy dowolnym podłączeniu przewodów
zasilacza (ja dla wygody obciąłem ory−
ginalną końcówkę kabla zasilacza).

Zestaw teraz układ według rysunku 2

i fotografii 1. Zaświecą się obie diody,
mimo że są włączone w przeciwnych
kierunkach.

Wygląda na to, że napięcie jest jedno−

cześnie i dodatnie i ujemne... Czyżby?

Nie, tak być nie może! W danej chwi−

li napięcie jest albo dodatnie, albo ujem−
ne, albo równe zeru...

Żeby odkryć tajemnicę, pomachaj

energicznie diodami w pomieszcze−
niu, gdzie światło jest przytłumione.
Zobaczysz...

...
Nie, nie powiem, co zobaczysz!

Sprawdź sam! Efekt jest interesujący.
Przekonasz się naocznie, że diody nie
świecą jednocześnie, tylko zaświecają
się na przemian. Następuje to 50 razy
w ciągu sekundy. Nasze oko nie jest zbyt
szybkie i normalnie daje się oszukać,
dając wrażenie ciągłego świecenia. Jeśli
jednak energicznie poruszasz diodami,
sztuczka wychodzi na jaw.

W przypadku baterii i zasilacza uży−

wanego na poprzednich wyprawach mie−
liśmy do czynienia z prądem stałym;
tam takiego efektu nie ma, bo dioda świe−
ci ciągle. Teraz mamy do czynienia z prą−
dem zmiennym, ściślej przemiennym.

Spróbuj teraz zmierzyć napięcie wyj−

ściowe zasilacza AC 12/300. Wcześniej
zawsze wykorzystywaliśmy woltomierz
i amperomierz napięcia stałego (DC).
Ustaw woltomierz na zakres 20VDC.
Zmierz napięcie z transformatora (punkty
A, B na rysunkach 1, 2). Jaką wartość po−
kazuje woltomierz? ...

Coś tu nie gra, powinno być kilkanaście

woltów, a jest coś koło zera. Żeby zmierzyć
wartość zmiennego na−
pięcia transformatora,
musisz użyć woltomie−
rza napięć zmiennych.
Ustaw na mierniku za−
kres 20VAC. Teraz
wszystko jest w po−
rządku – woltomierz
pokazuje

sensowną

wartość (ja w układzie
z rysunku 2 uzyskałem
wynik 14,54V, przy
czym napięcie w sieci
wynosiło 212V). Bez
obciążenia

napięcie

wyjściowe transforma−
tora było nieco wyższe
i wynosiło 14,68V.

A4

63

39

Ośla łączka

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

E

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

Rys. 2

RL

RL

a)

b)

rury

− odpowiedniki

− odpowiedniki

przewodów

przewodów

zwężka

− odpowiednik

rezystora

zwężka

− odpowiednik

rezystora

cylinder

z tłokiem

− odpowiednik

źródła napięcia

przemie

go

nne

cylinder

z tłokiem

− odpowiednik

źródła napięcia

przemie

go

nne

Rys. 1

Rys. 3

Rys. 4

Rys. A

2

Dla przebiegu stałego częstotliwść jest równa
zeru, natomiast amplituda, wartość skuteczna
i wartość średnia są jednakowe, dlatego poda−
jemy tylko jedną wartość napięcia czy prądu
stałego.

Podawane wartości napięć zmiennych, na

przykład napięcia wyjściowego transformatora,
to wartości skuteczne. Oznaczenie 24VAC to
też wartość skuteczna napięcia.

W razie potrzeby, by uniknąć wątpliwości,

wartości skuteczne napięcia i prądu oznacza się
literkami sk lub od angielskiego skrótu RMS,
np.: 12Vsk, 4A

RMS

, 4,7mAsk, 8,2mV

RMS

.

Cuda i dziwy?

W ćwiczeniu 3 mierzyliśmy napięcia stałe
i zmienne. Wydały się bardzo dziwne. Teraz już

wiesz, że woltomierz napięcia zmiennego mierzy
wartości skuteczne, że napięcie po dołączeniu
kondensatora wzrasta, bo ładowany jest on
w szczytach sinusoidy, czyli napięciem szczyto−
wym.

Z podanych zależności, które zresztą znaj−

dziesz w każdej książce, można wysnuć wniosek,
że napięcie na kondensatorze będzie równe am−
plitudzie przebiegu zmiennego. Ściślej amplitu−
dzie pomniejszonej o spadek napięcia na diodzie.

Dokładne przeliczenie wartości uzyskanych

w ćwiczeniach 3 i 4 wskazuje, że coś się tu nie
zgadza. Po pierwsze, transformator miał dawać
napięcie zmienne 12V, a dawał napięcie znacznie
większe. Po drugie, uzyskane wartości napięć
stałych też nie do końca odpowiadają podanym
wzorom.

W

ćwiczeniu 1

zmierzyliśmy na−
pięcie

zmienne

między punktami
A, B

(14,54V).

Zmierz napięcie
stałe

między

punktami C, D we−
dług rysunku 3.

Włącz teraz w obwód zwykłą diodę D1
(1N4007) według rysunku 3. Jedna dio−
da LED zgaśnie. Nic dziwnego, dioda D3
przepuszcza prąd w jednym kierunku
(właściwości diody badaliśmy podczas
trzeciej wyprawy.

Rysunek 4 pokazuje przebiegi napięć U

AB

oraz U

CD

w czasie. Mówimy, że dioda D1

prostuje prąd zmienny, a transformator z dio−
da jest prostownikiem półokresowym lub

jednopołówkowym. Na−
pięcie U

CD

jest napięciem

jednokierunkowym, tęt−
niącym.

Jeśli diodę D1 włączysz

„w drugą stronę”, wykorzystasz
ujemne połówki przebiegu.

Rysunek 4 pokazuje przebieg zmian na−

pięcia sieci w czasie. Krzywa ta to tak zwana
sinusoida − jest to podstawowy przebieg
w elektronice. Właśnie tak zmienia się napię−
cie w sieci energetycznej.

T

Tr

ra

an

ns

sf

fo

or

rm

ma

at

to

or

r

Popularny element, czę−
sto w skrócie nazywany
trafo, którego zadaniem
jest zmiana wartości na−
pięcia zmiennego, a zwy−
kle także oddzielenie gal−
waniczne dwóch obwodów ze względów
bezpieczeństwa.

Typowy transformator składa się z dwóch

uzwojeń (pierwotnego i wtórnego), nawinię−
tych na rdzeniu. Niektóre transformatory ma−
ją kilka uzwojeń.

Podstawowy symbol transformatora po−

kazuje rysunek powyżej.

Najczęściej stosowane są transformatory

sieciowe z rdzeniem z blach transformatoro−
wych, gdzie uzwojenia pierwotne i wtórne są
skutecznie oddzielone galwanicznie. Foto−
grafia 1 pokazuje wygląd kilku popularnych

40

Ośla łączka

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

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

A4

64

Rys. 4

Rys. 5

Ćwiczenie 3

Najprostszy

zasilacz

Czy wiesz, że...

w literaturze można zna−

leźć rysunkowy dowcip, po−

kazujący jak dioda prostuje

prąd zmienny.

W rzeczywistości działanie dio−

dy opiera się na złożonych za−

leżnościach, opisywanych

przez tak zwaną fizykę

kwantową.

Ćwiczenie 2

Prostownik jedno−

połówkowy (półokresowy)

Rys. B

Rys. 3

Fot. 1

Fot. 2

transformatorów sieciowych z tak zwanym
rdzeniem EI (ze względu na podobieństwo
blaszanych kształtek rdzenia do liter E, I).
Fotografia 2 pokazuje transformatory siecio−
we z tzw. rdzeniem zwijanym. Kolejna foto−
grafia 3 przedstawia nowoczesne, chętnie
stosowane transformatory toroidalne. Zamie−
niają one duże i groźne dla życia przemienne
napięcie sieci energetycznej (220...230V) na
niewielkie przemienne napięcie wtórne
(3...24V). Generalnie czym większy (i cięż−
szy) jest rdzeń tranzystora, tym większą moc
może przenieść.

Uwaga! Transformatory pracują tylko

przy napięciach przemiennych. Podanie nań
napięć stałych wywoła przepływ dużego prą−
du, przegrzanie uzwojeń i uszkodzenie.

Podstawowymi parametrami transforma−

torów sieciowych są napięcie uzwojenia
wtórnego, prąd nominalny i związana z tym
moc. Krajowe transformatory sieciowe
oznaczane są literami TS i dwiema liczba−
mi. Pierwsza liczba określa moc transforma−
tora, druga jest numerem seryjnym i nie nie−
sie informacji o parametrach. Przekonasz
się, że w katalogach moc podaje się nie
w watach, tylko w tak zwanych woltoampe−
rach (skrót VA). Ty na razie nie musisz
wchodzić w szczegóły – możesz przyjąć, że
chodzi o waty. Przykładowo TS2/56 to
oznaczenie popularnego, dwuwatowego
transformatora o napięciu nominalnym
15,8V i prądzie 0,1A.

Nominalne napięcie wyjściowe transfor−

matora to napięcie (wartość skuteczna napię−
cia zmiennego) mierzone przy obciążeniu
prądem nominalnym.

Do różnych celów używane są też inne

transformatory: impulsowe, mikrofonowe,
autotransformatory, itd. z rdzeniami
z blach albo ze specjalnego materiału zwa−
nego ferrytem. Na razie nie będziemy się
nimi zajmować.

Mostek prostowniczy

Ponieważ bardzo często w układach prostow−
ników i zasilaczy stosowane są prostowniki
mostkowe, przemysł produkuje wiele typów
gotowych mostków.

Zagadkę wyjaśnia rysunek C. Główną przy−

czyną są szkodliwe rezystancje wewnętrzne trans−
formatora. Uzwojenia transformatora, wykonane
z drutu miedzianego, mają jakąś rezystancję (do te−
go dochodzą inne szkodliwe zjawiska). Jeśli przez
uzwojenia popłynie prąd, wystąpi spadek napięcia
na tych rezystancjach. Spowoduje to także grzanie
transformatora. Maksymalny prąd (i maksymalna
moc) zależy w dużym stopniu właśnie od omawia−

nych rezystancji. Nie można z transformatora po−
brać dowolnie dużego prądu – nie pozwolą na to
rezystancje, powodujące zmniejszanie napięcia
wyjściowego wraz ze wzrostem prądu. Prąd ma−
ksymalny (i moc) są one określane przez produ−
centa i można je znaleźć w katalogu − wyznaczone
są w sumie przez dopuszczalne temperatury uzwo−
jenia i rdzenia.

A jak wobec tego określa się napięcie wyjścio−

we transformatora? Czy w stanie jałowym, bez ob−
ciążenia, gdy napięcie jest największe? Czy raczej
przy największym dla danego transformatora ob−
ciążeniu, gdy napięcie jest najmniejsze?

Uważaj! Podawane w katalogu napięcie wyj−

ściowe transformatora, to wartość skuteczna napię−
cia zmiennego przy prądzie maksymalnym i co
ważne − przy obciążeniu rezystancją. W takich

(nie zapomnij przełączyć woltomierza
z zakresu AC na DC). Mój woltomierz
napięcia stałego pokazał 6,4V.
Teraz dodaj do prostownika jednopo−
łówkowego kondensator według rysun−
ku 5. Pamiętaj, że odwrotne włączenie
kondensatora elektrolitycznego grozi je−
go wybuchem!

Gdy kondensator, zwany kondensato−

rem filtrującym, dołączysz podczas pracy
układu (patrz fotografia 2), dioda zaświe−
ci zdecydowanie jaśniej. Wygląda na to,
że dołączenie kondensatora podwyższa
napięcie wyjściowe...

Zmierz napięcie na kon−

densatorze C1. U mnie wy−
nosiło... 18,4V Bez konden−
satora napięcie wyprostowa−
ne (6,4V.DC) jest dużo
mniejsze

niż

napięcie

zmienne

z

zasilacza

(15,54V). Ale za to z kon−
densatorem napięcie stałe na
wyjściu (18,4V) jest znacz−
nie większe niż napięcie
zmienne na wejściu! Czy to
cud, czy jakaś pomyłka?

Nie jest to ani cud, ani

pomyłka.

Wyjaśnienie

znajdziesz w TECHNI−
KALIACH.

Układ z rysunku 5 jest

najprostszym zasilaczem,
ale takich zasilaczy prawie
się nie stosuje. Sprawdź−
my właściwości takiego
zasilacza. Ostrzegam jed−
nak – będzie głośno, bar−
dzo głośno.

Czy już wiesz, dlaczego?
Podłącz brzęczyk w układzie według

rysunku 6a. Usłyszysz głośny terkot. Nic
dziwnego, brzeczyk jest zasilany napię−
ciem tętniącym – patrz rysunek 4. Dodaj
kondensator filtrujący o pojemności 22

µF

według rysunku 6b. Terkot niemal całko−
wicie zniknie, usłyszysz ciągły dźwięk
brzęczyka – kondensator wygładził napię−
cie wyjściowe.

Fotografia 3 pokazuje układ na tym

etapie. Gdy dołączysz obciążenie R1D2
według rysunku 6c, terkot wyraźnie się

85

Ośla łączka

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

A4

65

Rys. 6

Fot. 2

Rys. C

Fot. 3

warunkach prąd pobierany z transformatora takze
ma kształt sinusoidy. Rysunek D ilustruje spadek
napięcia jakiegoś transformatora przy obciążeniu
rezystancją. Linią kropkowaną zaznaczyłem prąd,
linią ciągłą – napięcie.

Gdy przez szkodliwe rezystancje uzwojeń pły−

nie „spokojny” przebieg sinusoidalny, spadek na−
pięcia jest stosunkowo mały. Jeśli jednak pojawią
się impulsy prądowe o dużej wartości, wtedy
oczywiście spadek napięcia na rezystancjach
uzwojeń będzie dużo większy. W rezultacie napię−
cie wyprostowane będzie dodatkowo zmniejszo−
ne. Pokazuje to w uproszczeniu rysunek E. Linia
przerywana pokazuje napięcie wyprostowane na
obciążeniu.

Zwróć uwagę, że kondensator filtrujący C1 jest

szybko ładowany dużym prądem jedynie w dodat−

nich szczytach sinusoidy. I tylko wtedy w uzwoje−
niach płynie prąd i następuje spadek napięcia

Popatrz na schemat z rysunku 8a, gdzie
wykorzystujemy, umownie biorąc, „do−
datnie” połówki przebiegu; „ujemne”
nie są wykorzystywane. W układzie we−
dług rysunku 8b wykorzystujemy po−
łówki „ujemne”. A czy nie można jakoś
wykorzystać jednych i drugich?

Masz jakiś pomysł?
Z dwiema diodami nie da rady, ale...
W układzie według rysunku 9a też wy−

korzystujemy „dodatnie” połówki, a we−
dług 9b – „ujemne”. Jeśli połączymy je ra−
zem otrzymamy układ z rysunku 9c. Moż−
na go też narysować jak pokazuje rysunek
9d. Jest to prostownik mostkowy, pełno−
okresowy, inaczej dwupołówkowy, zwany
także mostkiem Graetza (czytaj: greca).
Przeanalizuj w jakich obwodach płynie
prąd w dodatnich i ujemnych półokresach.
Zapamiętaj, że napięcie na obciążeniu jest
mniejsze od napięcia z transformatora
o spadki napięcia na dwóch diodach

(1,2...2V). Co istotne, przez każdą parę diod
płynie połowa prądu obciążenia. Dzięki te−
mu układ mostkowy złożony z diod na

przykład 1−amperowych może prostować
prąd o natężeniu do 2A (ale mostek 1−am−
perowy nie może pracować przy 2A).

zwiększy – przy większym obciążeniu
mały kondensator nie wystarcza i tętnie−
nia się zwiększają.

Teraz dołącz (możesz dotknąć) do C1

dodatkowy kondensator o pojemności
1000

µF – terkot zniknie całkowicie –

znów usłyszysz ciągły pisk brzęczyka
bez śladu terkotu. Nie wyciągnij z tego
wniosku, że kondensator zwiększa moc.

On tylko wygładza napięcie, stanowiąc
pomocniczy zbiornik energii.

Rysunek 7 pokazuje przebiegi w róż−

nych wersjach układu z rysunku 6.
Tylko przy małych prądach obciążenia
mały kondensator powoduje, że napięcie

wyjściowe nie wykazuje wahań. Po dołą−
czeniu obciążenia napięcie zasilające nie
jest już „gładkie” – pojawiają się tętnie−
nia, a ponadto napięcie wyjściowe się
zmniejsza. Jeśli nie wszystko rozumiesz,
zajrzyj do TECHNIKALIÓW.

86

Ośla łączka

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

TECHNIKALIA

TECHNIKALIA

A4

66

Ćwiczenie 4

Prostownik mostkowy. Najprostszy zasilacz

Rys. 8

Rys. 7

Rys. D

Rys. E

Fot. 3

Fot. 4

Fotografia poniżej pokazuje kilka mostków.

Moc

W ćwiczeniu 5 przekonaliśmy się, jak wiel−
kość wpływa na właściwości rezystora. Te−
raz już wiesz, że oprócz rezystancji, drugim
najważniejszym parametrem rezystora jest
obciążalność. Wyrażamy ją w watach (W).
Obciążalność wskazuje, jaka moc maksy−
malna może wydzielać się w rezystorze bez
ryzyka jego uszkodzenia (spalenia). Obcią−
żalność typowych, małych rezystorów wy−
nosi 0,1...0,4W. Fotografia poniżej pokazu−
je kilka rezystorów o takim samym nomina−
le (750

Ω) i o różnej obciążalności (potocz−

nie: o różnej mocy). Duży, zielony rezystor
drutowy ma obciążalność 8W, a temperatura
powierzchni w czasie pracy może dojść do
+300

o

C. Drugi duży rezystor metalizowany

ma obciązalność 1W. Małe rezystorki mają
obciążalność około 0,25W.

Problem mocy i grzania dotyczy nie tylko

rezystorów. Gdy przez dowolny element pły−
nie prąd i na elemencie występuje napięcie,
w elemencie tym wydziela się ciepło. Staje
się on grzejnikiem Moc elektryczna zamienia
się na moc cieplną i jest to tak zwana moc
strat. Podobnie jest przy prądzie stałym
i zmiennym (przy prądzie zmiennym są jed−
nak wyjątki, ale to historia z zupełnie innej
bajki).

Najprościej biorąc, moc to iloczyn napię−

cia i prądu. Jeśli na elemencie występuje na−
pięcie U i płynie jakiś prąd I, w elemencie
wydzieli się moc P w postaci ciepła.

P = U*I
Czym większe napięcie i większy prąd,

tym większa wydzielana moc cieplna. To cie−
pło strat jest przekleństwem układów elektro−
nicznych, zwiększa bowiem temperaturę ele−
mentów. Zwiększa też prawdopodobieństwo
awarii, czyli obniża niezawodność.

Prawdę mówiąc, to nie moc strat jest

źródłem zła, tylko właśnie wysoka temperatura.

Wprost do zasilacza AC12/300 dołącz
rezystor o wartości 470

Ω. Przy napię−

ciu w granicach 15V (u mnie było
14,3V) przez rezystor płynie prąd oko−
ło 32mA. Po kilku sekundach dotknij
rezystora palcami – jest mocno ciepły
(ale się nie poparzysz). Przepływ prądu
przez rezystancję powoduje wydziela−
nie ciepła. Moc elektryczna zamienia
się na cieplną.

Jeśli chcesz, możesz zrobić podobny

eksperyment ze świeżą baterią alkalicz−
ną 1,5V (paluszek LR6). Żeby jednak re−
zystor był tak samo ciepły, rezystancja
musi wynosić 4,7

Ω. Prąd wyniesie teraz

aż 0,32A (320mA). Uwaga! Ze zwykłym,

tańszym „paluszkiem” doświadczenie
może się nie udać, bo zwykłe baterie ma−
ją mniejszą wydajność i nie uzyskasz
prądu o wartości 320mA.

Zwróć uwagę, że aby wydzielić taką

samą ilość ciepła, mamy albo duże na−
pięcie i mały prąd (15V; 0,032A), albo
małe napięcie i duży prąd (1,5V; 0,32A).
W obu przypadkach iloczyn napięcia
i prądu (U*I) jest taki sam i wynosi oko−
ło 0,5... Zero pięć czego?

0,5 W czyli pół wata. Pół wata mocy

strat w postaci ciepła.

I to jest kolejna ważna sprawa do zro−

zumienia i zapamiętania: jeśli przez re−
zystor albo inny element płynie prąd

Dodaj do prostownika kondensator

filtrujący. Układ z rysunku 9d jest pro−
stym zasilaczem. Dla ścisłości trzeba do−
dać, że jest to zasilacz niestabilizowa−
ny. Najtańsze zasilacze kupowane na ba−
zarach mają taką właśnie budowę.

Model pokazany na fotografii 4 za−

wiera nie cztery pojedyncze diody, tylko
element zwany mostkiem prostowni−
czym. Dlatego na schematach cztery
diody często zastępuje się innym, rów−
norzędnym symbolem. Dodatkowo na
fotografii zobaczysz widok mostka od
strony wyprowadzeń.

Przebiegi w układzie będą wyglądać

podobnie, jak w prostowniku jednopo−
łówkowym z rysunku 7. Napięcie wyj−
ściowe na kondensatorze jest takie sa−
mo. Układ mostkowy jest jednak zdecy−
dowanie lepszy, bo wykorzystuje obie
połówki przebiegu przemiennego, a tym
samym pozwala w pełni wykorzystać
możliwości transformatora.

Omówione proste zasilacze niestabi−

lizowane są niedoskonałe, bo przy
wzroście poboru prądu ich napięcie
znacznie się zmniejsza i zwiększają się
tętnienia.

87

Ośla łączka

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

A4

67

Ćwiczenie 5

Moc i ciepło.

Obciążalność rezystorów

Rys. 9

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Fot. 4

transformatora. Przebieg z transformatora zostaje
zdeformowany i nie przypomina już sinusoidy.

Co najważniejsze, pod wpływem obciążenia

występuje tu duży spadek napięcia wyjściowego.
Zwróć uwagę, że jest on dużo większy, niż w ukła−
dzie z obciążeniem rezystorowym według rysunku
D. Sytuacja trochę się poprawi po zastosowaniu
prostownika mostkowego, ale nadal przez uzwoje−
nia i diody będzie płynął prąd o charakterze impul−
sowym, powodujący znaczne spadki napięcia na
uzwojeniach transformatora.

Jakie są wnioski praktyczne?
Niezbyt wesołe!
Okazuje się, że znajomość podawanych w ka−

talogu napięć i prądu transformatora nie pozwala
na obliczenie wszystkich ważnych parametrów
zasilacza.

Przypuśćmy, że mamy transformator TS10/35

o mocy 10VA, który według katalogu ma napięcie
9V i prąd 1A (o mocy przeczytasz za następnym
śródtytułem).

Czy po wyprostowaniu w układzie według ry−

sunku E uzyskamy na kondensatorze filtrującym
napięcie 12,1V, szczytowe (1,41*9V), pomniej−
szone o spadek napięcia na diodzie (0,6V)? Czy
uda się „wycisnąć” z niego 10 watów mocy, czyli
przy obliczonym właśnie napięciu 12,1V uzyskać
prąd 0,82A?

Oj, oj, nie tak szybko szybko!
Nawet z prostownikiem mostkowym najpraw−

dopodobniej nie uda się uzyskać takiego wyniku.

Pamiętaj, że napięcie 9V (przemienne, wartość

skuteczna) uzyskuje się na uzwojeniu wtórnym
przy obciążeniu rezystancją, przy prądzie 1A.

Zestaw układ według rysunku 10 i foto−
grafii 6. Tym razem dioda LED pełni
tylko rolę pomocniczą. Interesuje nas
temperatura tranzystora i temperatura re−
zystora R1. Temperatura wskazuje, jaka
moc wydziela się w tych elementach.
Sprawdź w jakim położeniu suwaka po−
tencjometru tranzystor grzeje się najbar−
dziej. Nie spiesz się; żeby nagrzać się
lub ostygnąć, elementy potrzebują co
najmniej kilkunastu sekund.

Jaki jest wynik?
Zgodnie z oczekiwaniami rezystor R1

jest najcieplejszy, niemal gorący, w gór−
nym (na rysunku) położeniu suwaka po−
tencjometru. Wtedy występuje na nim
największe napięcie i płynie największy

prąd, o czym też świadczy dioda LED
(która tu dla dobra nauki pracuje poza do−
puszczalnym przez producenta zakresem).

A tranzystor? Może jest dla Ciebie za−

skoczeniem, że najcieplejszy jest w środko−
wym położeniu suwaka, a nie przy naj−
większym prądzie. W górnym położeniu
suwaka prąd płynący przez tranzystor jest
wprawdzie największy, ale napięcie na nim
jest małe, rzędu 1V, więc i moc strat (U*I)
jest niewielka. W dolnym położeniu suwa−
ka napięcie na tranzystorze jest wprawdzie
największe, jednak prąd jest mały, więc
moc też jest niewielka. Uwaga! Zmiany
temperatury tranzystora są niewielkie –
aby były większe, możesz zmniejszyć R1 do
100

Ω, ale maksymalny prąd będzie dużo

większy, niż zaleca−
ny przez producenta
prąd diody LED.

W każdym razie

w pewnych warun−
kach pracy tranzy−
stor się grzeje. Te−
raz już chyba rozu−

miesz, dlaczego w katalogach podaje się
maksymalną moc strat tranzystora. Jeśli
moc tracona (zamieniana na ciepło) bę−
dzie większa od dopuszczalnej, tranzystor
ulegnie przegrzaniu i trwałemu uszkodze−
niu. W TECHNIKALIACH znajdziesz
nieco więcej na ten temat.

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW

Informacje dotyczące zestawu

EdW−04 do „Oślej łączki“

znajdują się na stronie 120.

i występuje na nim napięcie, to w tym
elemencie wydziela się tak zwana moc
strat w postaci ciepła.

Moc, w tym wypadku moc strat,

oznaczamy literą P, i obliczamy z proste−
go wzoru:

P = U * I
gdzie U – napięcie na elemencie,

I – prąd płynący przez element.

Moc mierzymy w watach. Na razie

możesz przyjąć w uproszczeniu, że wat
to wolt razy amper. Doświadczenie po−
twierdza, że taką samą moc uzyskamy
przy małym prądzie i dużym napięciu
(zasilacz), jak i przy dużym prądzie
i małym napięciu (paluszek).

Przygotowując to
ćwiczenie,

dołą−

czyłem wprost do
wyjścia zasilacza
AC12/300 mały
rezystor o wartości
10

Ω. Przy takim ob−

ciążeniu napięcie (zmienne) spadło do
6,95V, czyli przez rezystor ten popłynął
prąd (zmienny) o wartości około 0,7A. Po
dziesięciu sekundach rezystor zaczął dymić
i wkrótce zrobił się czarny. Lakier spuchł
i zwęglił się, a pomieszczenie wypełniło
się zapachem, najdelikatniej mówiąc,
mało przyjemnym. Po minucie końcówki
rezystora zrobiły się tak gorące, że prze−
wody od zasilacza same się odlutowały.

W zestawie elementów A04 znaj−

dziesz dwa małe rezystory 10−omowe.
Możesz powtórzyć doświadczenie, tylko
nie miej do mnie pretensji, że nie ostrze−
gałem przed efektami zapachowymi
i możliwością poparzenia palców.

Potem dołączyłem do zasilacza rezy−

stor drutowy typu RDCO, o tej samej re−

zystancji 10

Ω, ale znacznie większy.

Rozgrzał się on do temperatury ponad
+100

o

C (kropelka wody, czytaj – śliny

wyparowywała momentalnie), ale się nie
spalił.

Ty nie musisz wykonywać takiego

ćwiczenia, popatrz tylko na fotografię 5,
pokazującą nowy, mały rezystor 10−omo−
wy, to co zostało z testowanego rezysto−
ra oraz większy rezystor typu RDCO,
który nie uległ uszkodzeniu.

Teraz już chyba jasno widzisz, że

obok rezystancji, drugim najważniej−
szym parametrem rezystora jest obcią−
żalność, zwana też po prostu mocą. Ma−
ły rezystor o obciążalności około 0,25
wata uległ uszkodzeniu. Dużemu, o ob−
ciążalności 8 watów, nic się nie stało.

88

Ośla łączka

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

TECHNIKALIA

A4

68

Czy wiesz, że...

nazwa jednostki mocy, wat, po−

chodzi od nazwiska Jamesa Watta,

wynalazcy maszyny parowej.

Rys. 10

Ćwiczenie 6

Moc strat tranzystora

Fot. 5

Fot. 6

Bez obciążenia, w stanie jałowym napięcie

transformatora będzie większe od podanego w
katalogu, więc po wyprostowaniu otrzymamy na
kondensatorze filtrującym napięcie sporo wyższe
niż 12V. Natomiast pod obciążeniem napięcie bę−
dzie znacząco spadać, bo duże impulsy ładujące
kondensator spowodują duże spadki napięcia na
rezystancjach transformatora. Przy prądzie o tak
dużej wartości spadek napięcia na diodzie też bę−

dzie większy niż 0,6V i może wynosić nawet
1V czy 1,1V. Trzeba też uwzględnić, że w wielu
okolicach kraju napięcie sieci energetycznej nadal
jest znacznie niższe od nominalnego i wynosi
210V lub jeszcze mniej. Wszystko to powoduje, że
z transformatora tego nie da się uzyskać napięcia
stałego 12,1V przy prądzie 0,82A.

Ponieważ w grę wchodzą tu jeszcze inne czynni−

ki, precyzyjne obliczenie, jakie napięcie stałe uzyska−

my przy danym prądzie obciążenia, jest bardzo trud−
ne. Małe transformatory są „miękkie”, to znaczy, że
napięcie pod obciążeniem znacznie spada. Transfor−
matory duże, zwłaszcza toroidalne, są „sztywne”, to
znaczy ich napięcie wyjściowe mało zmienia się pod
wpływem obciązenia. W każdym razie hobbysta po−
winien nastawić się na przykre niespodzianki i ekspe−
rymentalnie sprawdzić możliwości zasilacza, zwła−
szcza przy obniżonym napięciu sieci (np. 200V).