Przyrządy pomiarowe - uniwersalne, do pomiaru napięcia, prądu, oporności, pojemności, wzmocnienia tranzystorów, sprawdzania diod, ciągłości obwodów itp.

W warsztacie każdego elektronika musi się znaleźć miernik uniwersalny. Mierniki te, najprościej, dzielimy na wychyłowe (analogowe) i cyfrowe.

Różnice w budowie i zasadzie działania są znaczne, ale mierzą te same wielkości elektryczne.

Pomiar napięcia - V - stałego ( DC ) lub zmiennego ( AC ) - tą wielkość mierzymy woltomierzem. Przyrząd ( woltomierz ) wpinamy do układu, zawsze równolegle do elementu na którym mierzymy napięcie. Przykłady włączenia woltomierza przy pomiarze napięcia stałego i zmiennego pokazane są na rys. 1 i 2.

Pomiar prądu - A - stałego ( DC ) lub zmiennego ( AC ) - tą wielkość mierzymy amperomierzem. Przyrząd ( amperomierz ) wpinamy do układu, zawsze szeregowo z elementem, przez który płynie mierzony prąd. Przykłady włączenia amperomierza przy pomiarze prądu stałego i zmiennego pokazane są na rys. 3 i 4.

Pomiar rezystancji - W - tą wielkość mierzymy omomierzem. Pomiaru dokonujemy bezpośrednio na elemencie (rezystorze) - pamiętać należy, że pomiar rezystora wlutowanego w płytkę razem z innymi elementami może dawać wskazania odbiegające od faktycznej wartości (rys. 5).

Pomiar pojemności - C - tą wielkość mierzymy miernikiem pojemności. Pomiaru dokonujemy bezpośrednio na elemencie - kondensatorze (rys. 6)

Uwagi dotyczące przyrządów pomiarowych:

W praktyce amatorskiej, najczęściej używanym przyrządem jest miernik uniwersalny (wychyłowy) lub cyfrowy, częściej nazywany multimetrem. Sama nazwa wskazuje co możemy znaleźć w obudowie z ustrojem lub wyświetlaczem. Zazwyczaj taki miernik jest "kombajnem" wyposażonym w woltomierz, amperomierz, omomierz oraz dodatkowe "gadżety" do pomiaru, pojemności, tranzystorów, częstotliwości, temperatury i oczywiście buzzer. Obsługa tych mierników nie jest skomplikowana, najczęściej na obudowie zobaczymy: dwa lub cztery gniazda , przełącznik zakresów, wskaźnik i ewentualnie dodatkowe gniazda do pomiaru kondensatorów, tranzystorów oraz temperatury. Informacje jakimi parametrami dysponuje nasz miernik, znajdziemy w instrukcji obsługi. Gorzej kiedy instrukcji nie posiadamy, wtedy musimy nasz przyrząd dokładnie obejrzeć i zorientować się jakie parametry mierzy, jakie ma zakresy pomiarowe, do czego służy jakie pokrętło i gniazdo itd. Generalnie należy przyjąć że nasz przyrząd mierzy:

Multimetry cyfrowe:

- napięcia stałe ( DC ) w zakresach 200mV, 2V, 20V, 200V , 1000V

- napięcie zmienne ( AC ) w zakresach 2V, 20V, 200V, 700V

- prąd stały ( DC ) w zakresach 2mA, 20mA, 200mA, 20A

- prąd zmienny ( AC ) w zakresach 200mA, 20A

- oporność w zakresach 200W, 2kW, 20kW, 200kW, 2MW, 20MW, 200MW

- pojemność w zakresach 2000pF, 20nF, 0,2µF, 2µF, 20µF

- współczynnik wzmocnienia tranzystorów w zakresie od 0 do 1000

- temperaturę w zakresie od 0 do 200 stopni °C

Mierniki uniwersalne - wskazówkowe:

- napięcia stałe ( DC ) w zakresie od 0 do 1000V

- napięcie zmienne ( AC ) w zakresie od 0 do 1000V

- prąd stały ( DC ) w zakresie od 0 do 500mA ( 10A )

- prąd zmienny ( AC ) w zakresie od 0 do 3A ( 10A )

- oporność w zakresie 0W do 20MW - pojemność w zakresie 2nF do 2µF

Istotna, jest wiedza jaką oporność wejściową ma nasz miernik. I tak, mierniki wychyłowe - uniwersalne o klasie dokładności pomiaru 1,5 ; 2,5 , dla napięć stałych, oporność wewnętrzna wynosi 20kW - 100 kW/V , dla napięć zmiennych średnio 1kW/V. Mierniki cyfrowe ( multimetry ) dla napięć stałych i zmiennych, oporność wejściowa wynosi ok. 10MW/V.

Jak działa woltomierz i amperomierz?

W ostatnim czasie dostałem kilka pytań na moja skrzynkę pocztową i wśród nich między innymi pytanie dotyczące różnicy w budowie pomiędzy woltomierzem a amperomierzem. Niby banalne, a jednak bardzo istotne.

Zaczniemy od woltomierza. Jak już wiemy ( a będę to powtarzał do znudzenia ) woltomierz wpinamy do układu równolegle. Takie włączenie wynika z konstrukcji tego miernika (patrz rys. 7).

W podstawowy skład każdego woltomierza wchodzą: amperomierz i opornik dodatkowy Rd - szeregowy. Amperomierz ( ustrój ) ma zazwyczaj małą oporność wewnętrzną ( im mniejszy prąd jest wymagany do pełnego wychylenia miernika, tym większa jest oporność cewki ustroju - używa się cieńszego drutu do jej nawinięcia ), aby wywołać jego pełne wychylenie należy spowodować przepływ prądu o wartości maksymalnej dla danego typu ustroju np. 100uA. Przepływający prąd, wytwarza pewien spadek napięcia na cewce ustroju. Aby można było dokonywać pomiaru większych napięć od wartości spadku napięcia na ustroju, musimy szeregowo z amperomierzem włączyć opornik dodatkowy. Wartość tego opornika musi być tak dobrana aby uzyskać odpowiedni spadek umożliwiający pełne wychylenie ustroju. Najprościej możemy to ująć analizując wzór:

gdzie:

- Rd - oporność opornika dodatkowego;

- U1 - napięcie mierzone;

- Um - spadek napięcia na ustroju;

- I - prąd amperomierza

Aby bardziej przybliżyć sprawę założymy:

- mamy miernik o prądzie I = 100µA;

- pełne wychylenie - wytwarza spadek napięcia na ustroju wynoszący

Um = 10mV;

- napięcie mierzone U1 = 10V;

Rd = 10V - 10 mV/100µA Rd = 9,99V/100µA

Rd = 99,9 [kW]

A teraz amperomierz - włączamy go do układu zawsze szeregowo. Podstawowa konstrukcja zawiera w sobie dwa elementy, ustrój pomiarowy i opornik równoległy Rb, zwany potocznie bocznikiem. Układ obrazuje rysunek 8. Zasada pracy opiera się na podstawowym prawie (I prawo Kirchhoffa) algebraicznej sumy prądów wypływających z węzła i sumy prądów dopływających do węzła ( patrz rys. 9).

Z rysunku jasno wynika że, przy pomiarze dużych prądów, znacznie przekraczających wartość prądu potrzebnego do wychylenia ustroju, znaczna jego część musi przepływać przez opornik Rb.

Zilustrujemy to na przykładzie - zakładamy:

- prąd ustroju pomiarowego I1 = 100µA;

- prąd pomiaru I = 0,5A;

I2 = I - I1 ; I2 = 0,5 [A] - 100 [µA] ;

I2 = 0,499 [A]

Pozostaje jeszcze do omówienia zasada pomiaru prądu przez multimetry cyfrowe. Młodzi adepci elektroniki zadadzą pewnie pytanie w rodzaju: "...przecież tam nie ma ustroju pomiarowego, to jak rozdzieli się prąd?" I tutaj dotykamy sedna pomiaru. Jak wiemy w większości multimetrów operujemy napięciem na wejściu przetwornika pomiarowego np. popularnej kostki 7107 ( min. zakres napięcia wejściowego to 200mV ). Jak zatem dokonywany jest pomiar prądu? Poprzez pomiar spadku napięcia na opornikach dodatkowych. Prąd wejściowy przetwornika jest tak mały, że praktycznie pomijalny, jeżeli do wejścia przetwornika dopniemy równolegle rezystor o znanej wartości to przepływający przez niego prąd wywoła na nim spadek napięcia, który zmierzymy naszym przetwornikiem.

Wpływ oporności wewnętrznej mierników na pomiary napięcia i prądu

Co to jest oporność wewnętrzna przyrządu? Jak już wiemy, dokonując pomiaru, nasz przyrząd włączamy do układu w ściśle określony sposób. W tym momencie musimy sobie zdawać sprawę z tego, co nasz przyrząd spowoduje w działającym urządzeniu, problem ten dotyczy nie tylko miernika uniwersalnego ale też innych przyrządów pomiarowych. I tu właśnie pojawia się temat oporności wewnętrznej. Dokonując pomiaru napięcia stałego, w zasadzie problem jakby znika w przypadku stosowania multimetru, gdzie oporność wejściowa wynosi np. 10MW/V, ale nie bez znaczenia jest kiedy stosujemy do pomiaru miernik wychyłowy, średniej klasy, i tutaj oporność wejściowa waha się w granicach od 1kW/V do 100kW/V.

W czym tkwi problem? Posłużmy się wirtualnym przykładem: mierzymy napięcie między bramką tranzystora, a minusem zasilania jak na rys. 10.

Zakładamy, że R1 = R2 = 100kW i napięcie zasilania wynosi 10V. Na "oko" widać, że napięcie bramki powinno wynosić połowę napięcia zasilania, czyli 5V. Nasz miernik (woltomierz) ustawiamy na zakres pomiaru 10V. Kiedy do pomiaru użyjemy miernika o oporności wejściowej 10MW/V, to na zakresie pomiaru 10V, mamy oporność wejściową miernika około 100MW. Taka oporność w naszym przypadku nie spowoduje błędnych wskazań wynikających z równoległego połączenia miernika i rezystora R2 (ile wynosi wypadkowa oporność wynikająca z równoległego połączenia multimetru i rezystora R2, pozostawiam do samodzielnego wyliczenia - podpowiedź jak to zrobić znajdziesz tutaj ). Co innego, gdy do pomiaru zastosujemy miernik o oporności wejściowej np. 10kW/V. Wtedy nasza oporność wypadkowa, wyniesie 50kW. Czy taka wartość oporności spowoduje błąd pomiaru? , odpowiedź brzmi: tak, uzasadnijmy nasze rozumowanie opierając się na przykładzie z rys. 10. Poniżej jest już wyprowadzony wzór na mierzone napięcie ale jeśli ktoś nie wie jak to wyliczyć to warto sobie przypomnieć co to takiego dzielnik napięcia.

Dzielnik napięcia jest układem, który jak sama nazwa już sugeruje dzieli napięcie doprowadzone do jego wejścia, czyli jest to układ, którego napięcie wyjściowe jest częścią napięcia wejściowego.

Przykład dzielnika jest pokazany na rysunku, jak widać są to po prostu dwa rezystory połączone szeregowo. Napięcie wejściowe doprowadzone jest do rezystorów R1 i R2, natomiast wyjściowe jest równe spadkowi napięcia na rezystorze R2.

Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco:

- przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją), czyli

- napięcie na R2, czyli wyjściowe jest równe

Różnica pomiędzy napięciem faktycznym (5V), a zmierzonym wynosi, 1,7V !. Błąd pomiaru 34%.

Oczywiście, ten przykład ma na celu uzmysłowić nam jakich wyników możemy się spodziewać po pomiarach dokonanych miernikami o małej oporności wewnętrznej. Mógłby ktoś powiedzieć, można przełączyć przyrząd na wyższy zakres i wtedy jego oporność będzie większa, zgoda, ale dokładność odczytu będzie "mizerna". Starajmy się zawsze stosować, do pomiaru napięć, przyrządy o jak największej oporności wewnętrznej i pamiętajmy, woltomierz włączamy do układu zawsze równolegle.

A jak się ma sprawa z pomiarem prądu? Wiemy już że amperomierz wpinamy do układu zawsze szeregowo i ma on bardzo małą oporność wewnętrzną, niemal pomijalną, rzędu ułamków oma. Pamiętajmy, że nie bez znaczenia są przekroje przewodów pomiarowych, wyobraźmy sobie ciągły pomiar prądu 10A za pomocą naszych cieniutkich przewodzików od miernika, po chwili będą gorące jak diabli że nie wspomnę o spadku napięcia na nich. A jak mierzymy prądy w układach elektronicznych np. naszych pięknie zmontowanych płytkach drukowanych?, przecież nie zawsze możemy lub chcemy przerwać ścieżki na płytce, lub nawet fizycznie, nie mamy tego jak zrobić. Czy nie ma wyjścia z tej sytuacji? Jest, mierzymy spadki napięć. Zilustrujemy to na przykładzie, rys. 11.

Zakładamy w naszym przykładzie:

- napięcie zasilania Uz = 10V;

- rezystor emiterowy R4 = 82W

Chcemy zmierzyć prąd emitera tranzystora (prąd który płynie przez R4) i jego prąd bazy. Nasz woltomierz pokazuje napięcie 2,5V ( spadek napięcia na oporniku emiterowym ). Teraz wyliczamy prąd emitera jaki płynie w naszym układzie, w praktyce jest on równy prądowi kolektora:

Prosto, łatwo i tylko odrobina liczenia. Wszystko ładnie, a jak określić prąd bazy? Znamy już prąd emitera, a przecież można przyjąć, że prąd kolektora jest równy prądowi emitera. Dlaczego wystarczy sobie przypomnieć co jest napisane w dziale tranzystory. Musimy jeszcze znać wartość b tranzystora (patrz: tranzystory). Tą wartość można uzyskać z karty katalogowej dla danego tranzystora, można też przyjąć np. wartość b=100 (wartość typowa dla tranzystorów małej mocy) lub jeśli w naszym mierniku mamy możliwość pomiaru b tranzystora, czyli współczynnika h21e to po prostu zmierzymy. Teraz już idzie gładko, ze wzoru Ib = Ic / b (patrz: tranzystory) wyliczamy z grubsza nasz szukany prąd bazy.

W praktyce spotykamy układy w których musimy dokonać badania przebiegu sygnału, oscyloskopem, miernikiem częstotliwości itd. Czy w tym przypadku mamy do czynienia z opornością wewnętrzną? Jak najbardziej, dla przykładu, przeciętny oscyloskop ma oporność wejściową rzędu 1MW, a dodatkowo jeszcze dokłada pojemność doprowadzeń. Wpływ tych dwóch wielkości ma ogromne znaczenie przy badaniu sygnałów w układach cyfrowych i urządzeniach w.cz., powoduje czasem tak duże zniekształcenie sygnału, że określenie kształtu przebiegu jest praktycznie niemożliwe. W praktyce ratujemy się dodatkową sondą pomiarową, która ma oporność wej. 10MW i więcej, oraz wprowadza minimalne obciążenie pojemnościowe.

Czy zastanawiałeś się czasem nad taką rzeczą, co się dzieje w układzie w sytuacji kiedy wzrasta temperatura otoczenia. Często opracowując jakiś układ planujemy położenie elementów w pobliżu innego podzespołu np. radiatora. Ciepło które pojawia się w czasie pracy urządzenia ma ogromny wpływ na pracę całości, a najszybciej i najgorzej na zmiany temperatury, reagują półprzewodniki. Dobrze zaprojektowany układ daje sobie z tymi problemami radę ale są granice wytrzymałości po przekroczeniu których nastąpi nieuchronnie katastrofa. Dlatego w trakcie planowania położenia elementów na płytce trzeba o tym również pomyśleć. Warto pomierzyć temperaturę w jakimś układzie, jak nie multimetrem to termometrem, a już wręcz należy zadbać o to, aby w obudowie naszego urządzenia był swobodny przepływ powietrza, szczególnie w naszych zasilaczach warsztatowych. Doświadczenie podpowiada nam, że wzrost temperatury jest wywołany wzrostem prądu płynącego przez dany element i odwrotnie, wzrost temperatury powoduje wzrost prądu.

Teraz trochę, może banalnych i często pomijalnych problemów ale czasami bardzo istotnych. Rzecz dotyczy pomiarów elementów, a raczej badanie ich wartości. Zanim zaczniemy montować jakieś układ, gromadzimy niezbędne elementy i dokonujemy ich pomiaru, sprawdzenia ( powinien to być nawyk każdego konstruktora ).

Mało kiedy zastanawiamy się, jak wykonany jest np. rezystor węglowy, a jak drutowy, jak wykonany jest kondensator styrofleksowy, jak ceramiczny, a jak elektrolityczny, mało kiedy również zastanawiamy się nad sposobem dokonywania pomiaru. Ale w trakcie badania danego elementu musimy się już przez chwilę nad tym zastanowić. Poniżej omówimy sposoby pomiaru różnych elementów.

Pomiar oporności

Wyobraźmy sobie że mamy do zbadania rezystor. Pomiar jego oporności jest banalny, bierzemy omomierz, ustawiamy zakres np. 200kW i przykładamy końcówki przyrządu do wyprowadzeń elementu. Naszym oczom ukazuje się jakaś wartość bardzo zbliżona do 200kW, np. 199,5kW czy też 200,2kW. Zdarza się że, podczas pomiaru łapiemy nasz rezystor za końcówki palcami w których trzymamy już końcówki przyrządu, czy wtedy nasz przyrząd pokaże wartość 200kW?. Zapewniam, że pokaże inną, a dlaczego? Bo "dokładamy" równolegle oporność naszego ciała (patrz: elementy RLC). Również podobny problem napotkacie przy pomiarze oporności w zmontowanym układzie. W większości przypadków zmierzona wartość nie będzie odpowiadała faktycznej wartości oporności gdyż dokładają się równolegle oporności innych elementów układu. W takim przypadku jeśli nie da się odczytać wartości z kodu paskowego (patrz: kod paskowy), to najlepiej wylutować jedną końcówkę z układu i wtedy dokonać pomiaru.

Pomiar pojemności

Jak zmierzyć pojemność kondensatora? Posłużmy się przykładem pomiaru kondensatora o pojemności powiedzmy 100pF. Pół biedy kiedy mamy multimetr i osobne gniazdo do pomiaru pojemności, chociaż musimy wiedzieć, że nasz wyświetlacz wcale nie musi pokazywać równe 100 ( pomijam tolerancje ), a może jeszcze "dołożyć" parę pF tzw. pojemność doprowadzeń. A co począć kiedy nasz przyrząd nie ma miernika pojemności? Wtedy stosujemy do badania omomierz. Przykładamy końcówki do wyprowadzeń kondensatora i widzimy, że na wskaźniku nic, ani drgnie. Zadowoleni stwierdzamy, że nasz kondensator nie ma zwarcia, a co z pojemnością? I na to jest rada. Pamiętamy że kondensator nie przepuszcza prądu stałego, ale przepuszcza prąd zmienny przy okazji stanowiąc dla niego pewną oporność. Mamy rozwiązanie, do pomiaru kondensatora zastosować miliamperomierz prądu zmiennego i źródło napięcia zmiennego, transformator (byle napięcie tego źródła nie było większe od 24V - napięcie bezpieczne), można też zastosować generator np. akustyczny, musi tylko mieć odpowiednie napięcie na wyjściu i układ separujący. Podpinamy nasz kondensator i miliamperomierz do źródła napięcia jak na rysunku 12.

Teraz odczytujemy, jaki prąd pokazuje miliamperomierz. Pojemność obliczamy z wzoru zamieszczonego pod rysunkiem. Niestety, ta metoda nie zda egzaminu przy małych pojemnościach, nie jest też polecana dla kondensatorów powietrznych i z oczywistych względów elektrolitycznych. I uwaga, bądźmy przytomni i zwracajmy uwagę na jakie napięcie pracy jest badany kondensator, aby go nie "zabić" już w trakcie badania. Kondensator ładuje się do wartości maksymalnej napięcia, czyli 1,41 (pierwiastek z 2) razy większej od wartości skutecznej, którą to wartość zmierzy nasz woltomierz gdy będziemy mierzyli napięcie zmienne, musimy o tym pamiętać.

Mały przykład - mamy układ jak na rysunku 13.

Zakładamy:

- U1 = 20V (zmierzona wartość skuteczna);

- prostownik złożony z diod krzemowych, czyli spadek napięcia na diodach ok. 1,5V (dlaczego? - zobacz tutaj);

Teraz liczymy:

- napięcie po prostowniku, bez kondensatora C1,

U2 = U1 - 1,5 [V] = 20 - 1,5 = 18,5 [V];

- po podpięciu kondensatora, napięcie U2 zmieni się

U2 = 1,41 · 18,5 = 26 [V]

Jak na "patelni" widać na jakie napięcie pracy musimy zastosować nasz kondensator.

I jeszcze drobne uwagi dotyczące kondensatorów:

1. kondensator zmienia pojemność wraz ze zmianą temperatury;

2. kondensator elektrolityczny musi mieć właściwą polaryzacje napięcia;

3. nie wolno rozładowywać kondensatorów o dużej pojemności metodą zwarcia końcówek, należy tego dokonywać za pomocą właściwego rezystora np. 100W/2W;

4. nie stosować w torze sygnału m.cz. kondensatorów ceramicznych i odwrotnie, w torach sygnałów w.cz. kondensatorów zwijanych;

5. kondensator dla napięcia zmiennego stanowi oporność czynną czyli tzw. reaktancje, zależną od częstotliwości napięcia;

6. przy połączeniu kondensatorów szeregowo, pojemność wypadkowa jest mniejsza od najmniejszej pojemności zastosowanego w połączeniu kondensatora ;

7. przy połączeniu równoległym pojemność wypadkowa jest równa sumie pojemności poszczególnych kondensatorów;

Pomiar diody

Co jeszcze mamy do badania? nasze ulubione półprzewodniki. Zaczniemy od diody - więcej na temat diody znajdziesz tutaj. Wiadomo że dioda jest elementem prostowniczym dla prądu zmiennego. Najczęściej sprawdzenia jej dokonujemy omomierzem mierząc oporność złącza w obu kierunkach jak na rys. 14.

Raz mamy małą oporność, a raz dużą. I wszystko gra, dioda jest dobra i możemy śmiało ją zastosować. Inaczej sprawa wygląda gdy mamy już gotowy układ a dioda jest wlutowana i nie za bardzo chce się nam ją wylutowywać. Wtedy zaczynamy mierzyć spadek napięcia na diodzie. Pamiętamy że na złączu diody krzemowej występuje spadek napięcia ok. 0,5 do 0,7V , a na diodzie germanowej 0,2 do 0,5V. Z reguły zakładamy 0,7V Si oraz 0,2V Ge. Ale są przypadki ( pomijam diody Zenera ) kiedy pomiar spadku napięcia daje inne wyniki. Dla przykładu, badamy mostek prostowniczy w układzie Gretza, wiadomo że w trakcie półokresu napięcia zmiennego w procesie prostowania prądu, pracują dwie diody szeregowo, czyli sumarycznie, nasz spadek napięcia na diodach powinien wynosić ok. 1,5V, a wynosi np. 2V i w dodatku wszystko działa. Gdzie tkwi problem? wszystko zależy od prądu jaki płynie przez diody. Wraz ze zmianami prądu, zmienia się również oporność złącza diody i stąd zmienia się też spadek napięcia na diodzie.

Pomiar tranzystorów

Najprostsza i zarazem najpopularniejsza metodą badania tranzystora jest sprawdzanie oporności złącz za pomocą omomierza. Sama metoda ma zalety i wady. Zalety to, szybkie zorientowanie się o poprawności złącz, określenie typu przewodności i możliwość, orientacyjnego, pomiaru w układzie. Wady, brak 100% pewności że tranzystor jest naprawdę dobry, niemożność określenia poprawności złącza tranzystorów wysokonapięciowych brak możliwości określenia współczynnika h21e. Badanie omomierzem przebiega w określony sposób i dokładnie pokazuje to rys. 15 i tabelka.

Tabelka

K E B NPN PNP

+ - duża duża

- + duża duża

+ - duża mała

- + mała duża

- + mała duża

+ - duża mała

Podobnie możemy badać tranzystory polowe. Rzecz jest trochę prostsza bo omomierz podpinamy do złącz D - dren, S - źródło (A) i dotykamy palcem bramki G tranzystora (B) rys. 16.

Omomierz powinien wskazywać spadek oporności złącza. Pamiętajmy przy okazji o bardzo ważnej rzeczy, ładunek elektrostatyczny, "pasażer" wędrujący na nas ( może osiągać wartość kilku kV ) bardzo lubi gdzieś "uciekać" do miejsc o niższym potencjale, w momencie sprawdzania tranzystora ma wprost wymarzone warunki ku temu aby przeskoczyć do bramki tranzystora. Skutek będzie tragiczny dla tranzystora, praktycznie możemy go już wyrzucić do śmieci. Wniosek: ta metoda nie jest najlepsza.

Pomiar bezpieczników

Bezpiecznik, prosty element, zawsze skazany na zagładę, którego jedynym celem w życiu jest przepalić się. Należy wiedzieć, że bezpiecznik ulegnie przepaleniu, kiedy już prąd przez niego przepłynie! nigdy wcześniej. Występują jako bezpieczniki zwłoczne i bezzwłoczne. Najczęściej spotykane, są bezpieczniki topikowe w szklanej rurce, bezpieczniki wykonane w formie rezystorów i elementów półprzewodnikowych, bezpieczniki termiczne oraz bezpieczniki polimerowe. Bezpieczniki zawsze powinniśmy sprawdzać omomierzem, a nie zestawem bateria + żarówka (chyba, że te o prądach kilkanaście lub kilkadziesiąt amper, ale to już nie jest elektronika). Stosujemy bezpieczniki wszędzie tam gdzie musi zostać wymuszone przerwanie obwodu prądu z powodu zwarcia lub przekroczenia krytycznie jego wartości. Przede wszystkim mają one na celu "ochronę naszych kieszeni" przed dodatkowymi wydatkami (lub też stosowanie ich wymuszone jest odpowiednią normą dla danych urządzeń), dla przykładu cena bezpiecznika to ok. 0,5 zł podczas gdy cena np. transformatora to przeciętnie ok. 20zł. Jakiego typu stosujemy bezpieczniki, to zależy od układu, bezzwłoczne wszędzie tam gdzie pobór prądu jest mniej więcej stały na średnim poziomie i muszą one pewnie i szybko zadziałać w momencie gwałtownego wzrostu prądu. Zwłoczne w układach, gdzie w momencie rozruchu występuje gwałtowny pobór prądu, a następnie prąd maleje (np. w obwodzie uzwojenia pierwotnego transformatorów dużej mocy, autotransformatorów czy silników). Bezpieczniki półprzewodnikowe w układach o małym ale bardzo szybkim, impulsowym poborze prądu, gdzie prąd narasta do bardzo dużej wartości w bardzo krótkim czasie (np. takie bezpieczniki są stosowane w dyskach twardych komputerów), zaletą ich jest to, że są małe gabarytowo i bardzo szybko działające. Wreszcie bezpieczniki termiczne, te maja na celu ochronę urządzenia np. transformatora w przypadku wzrostu jego temperatury. Bezpieczniki rezystorowe o małej oporności rzędu 1 - 3W, ale odpowiednio wykonane, te stosujemy w układach jako zwłoczne i tanie elementy zabezpieczające, np. w zasilaczach komputerowych. Można je łatwo montować (lutujemy je jak oporniki) w przeciwieństwie do bezpieczników topikowych i możemy ich zastosować kilka w różnych miejscach układu. Bezpieczniki polimerowe, szybkie elementy o małym zakresie prądów, tanie i łatwo adoptowane do delikatnych układów elektronicznych, niestety w większości pracujące przy niskich napięciach rzędu 30 do 60V. Musimy sobie uświadomić, że przepalenie bezpiecznika to nic innego jak przerwanie drucika pod wpływem wzrostu jego temperatury na wskutek przepływu prądu. Często na bezpieczniku widzimy napis np. 1A/250V. Co on oznacza?, że bezpiecznik zadziała przy prądzie powyżej 1A ale niezawodnie przy napięciu 250V.

Reasumując, musimy stosować i wybierać bezpieczniki bardzo dokładnie aby mogły one pewnie i właściwie zadziałać. Miejmy na uwadze, że w momencie przepalenia bezpiecznika, pojawia się w rurce łuk elektryczny który też trwa jakiś czas.

Pomiar transformatorów

Teraz zajmiemy się przez chwilkę transformatorami. Jest to element niezastąpiony i sprawiający często wiele problemów, pomijam te mechaniczne. Pierwszy, to gdzie i jakie uzwojenie jest wyprowadzone na końcówki? Drugi i podstawowy, jakie napięcia daje nasz transformator? Trzeci, jaką ma moc? Czwarty jaki prąd można z niego pobrać?

Ad.1 - na wstępie należy dokładnie oglądnąć transformator i z grubsza określić gdzie ma końcówki. Teraz bierzemy omomierz i badamy pomiędzy którymi końcówkami jest pokazywana oporność uzwojeń, jednym słowem znajdujemy obwody. Wiemy, że uzwojenia pierwotne oraz wtórne anodowe, mają duże oporności rzędu od kilkudziesięciu W do kilku kW z racji dużej ilości zwojów, małej średnicy drutu, wymuszonych przez moc transformatora. Może wydawać się niektórym kolegom dziwne, ale transformatory o małej mocy mają duże oporności uzwojeń. Uzwojenia wtórne, nisko napięciowe maja małe oporności, w zależności od ilości zwojów i średnicy drutu, od kilku W do kilku dziesięciu W.

Ad.2 - mając rozpoznane wyprowadzenia uzwojeń, możemy podłączyć nasz transformator do napięcia zmiennego. Wymarzonym sposobem i zarazem bezpiecznym, jest podłączenia przez autotransformator lub trafo separujące. Po podłączeniu, badamy woltomierzem napięcia zmiennego, napięcia na poszczególnych uzwojeniach.

Ad.3 - moc można określić, w przybliżeniu, na podstawie wyliczenia przekroju rdzenia z wzoru:

P = 0,69·S2

P - moc transformatora w [W] ; S - przekrój rdzenia [cm2]

Ad.4 - prąd jaki możemy pobrać z naszego transformatora wstępnie można określić na podstawie grubości, przekroju drutu jakim nawinięte jest uzwojenie. Niezbędne są w tym przypadku tablice z parametrami drutów nawojowych.

Kilka uwag o których nie powinniśmy zapominać.

Transformator jest elementem indukcyjnym. Pracuje tylko po podłączeniu do prądu zmiennego. Jest źródłem zakłóceń spowodowanych zmiennym polem magnetycznym, dlatego trzeba bardzo starannie wybierać miejsce i sposób jego umiejscowienia w urządzeniu. Uzwojenia można łączyć szeregowo i równolegle ale o takich samych prądach i przekrojach. Łączymy uzwojenia wg. zasady początek z końcem - szeregowo lub początek z początkiem, koniec z końcem - równolegle. Zamiana kierunku uzwojeń spowoduje zniesienie się napięć w uzwojeniach. Zawsze stosujmy bezpiecznik po stronie pierwotnej transformatora. Starac się nie dopuszczac do grzania transformatora, na skutek przeciążenia. I najważniejsze, transformator jest elementem do którego powinniśmy podchodzić z dużą ostrożnością i uwagą, ze względu na pojawienie się napięć niebezpiecznych dla naszego zdrowia i życia.

CZĘŚĆ 2.

Dwie najważniejsze wielkości, których zachowanie w układach elektronicznych poddawane jest obserwacji i analizie to napięcie U oraz prąd I.

Napięcie między dwoma punktami jest to wydatek energii (wykonana praca), konieczny do przeniesienia jednostkowego ładunku dodatniego z punktu o niższym potencjale (bardziej ujemnym) do punktu o wyższym potencjale (bardziej dodatnim). Jednostką miary napięcia jest 1V (wolt). Można więc powiedzieć, że aby ładunek jednego kulomba pokonał różnicę potencjałów jednego wolta, należy wykonać pracę jednego dżula.

Napięcie oznaczane jest zwykle symbolem U. Napięcie między punktami A i B jest oznaczane jako UAB. Już dawno uzgodniono, że napięcie UAB jest dodatnie, gdy punkt A jest dodatni względem punktu B, a UAB jest ujemne, gdy punkt A jest ujemny względem punktu B. Obowiązuje również następująca zależność UAB = -UBA.

Dla przykładu (rys. 1.1) zapis napięcia pomiędzy bazą, a emiterem tranzystora typu PNP (o tym w dziale tranzystory):

UBE = -0,7V lub -UBE = 0,7V lub UEB = 0,7V

oznacza, że między punktem E i B występuje napięcie 0,7V, a punkt E ma wyższy potencjał (jest bardziej dodatni) niż punkt B.

Często używa się określenia "napięcie w danym punkcie układu", należy to rozumieć jako napięcie między danym punktem, a punktem wspólnym (zerowym) najczęściej nazywanym "masą".

Prąd wyraża szybkość przepływu ładunku elektrycznego obok pewnego punktu. Jednostką miary jest 1A (amper). Można więc powiedzieć, że prąd jednego ampera jest równy przepływowi ładunku jednego kulomba na sekundę.

Prąd oznaczany jest zwykle symbolem I, a kierunek jego przepływu zaznacza się strzałką na przewodzie. Uzgodniono, że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego, mimo że faktyczny kierunek przepływu elektronów jest przeciwny.

Tak naprawdę jest obojętne jak narysuje się strzałki prądu i napięcia w obwodzie :

ważne jest, aby przyporządkować ich wartościom liczbowym właściwe znaki. Jeżeli strzałki prądu i napięcia, np. na rezystorze R są narysowane z przeciwnym zwrotem to R=U/I, a jeżeli zwroty są takie same to R=-U/I. Znak minus w ostatnim wzorze nie oznacza, że rezystancja jest ujemna, tylko informuje o takich samych zwrotach strzałek napięcia i prądu.

Prawo Ohma mówi, że napięcie U na końcach przewodnika, przez który płynie prąd o natężeniu I jest iloczynem natężenia prądu i rezystancji R tego przewodnika, czyli U = I * R (rys. 1.3).

Jest to prawo, z którego będziesz wielokrotnie korzystał, gdy będziesz musiał obliczyć prąd lub napięcie czy też wyliczyć właściwą dla danego układu wartość rezystora.

Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z niego lub inaczej, że suma wszystkich prądów w węźle jest równa zeru

Prądy wpływające do węzła mają znak dodatni, a wypływające znak ujemny.

Przykładem węzła jest punkt A na rysunku. Prądy I1, I2 są dodatnie, a I3 ujemny.

Drugie prawo Kirchhoffa mówi, że w obwodzie zamkniętym (oczku) suma wszystkich napięć jest równa zeru

Napięcia, których zwrot strzałki jest zgodny z obiegiem oczka są dodatnie, a te, których zwrot jest przeciwny są ujemne. Obieg oczka przyjmuje się zgodnie z zaznaczoną okrągłą strzałką wewnątrz obwodu.

Zgodnie z tymi założeniami napięcia U1 i U4 są dodatnie, a U2 i U3 ujemne.

Twierdzenie Thevenina mówi, że dowolny dwuzaciskowy układ, składający się z kombinacji źródeł napięcia i rezystorów można zastąpić szeregowo połączonymi ze sobą pojedynczego rezystora i pojedynczego źródła napięciowego.

Inaczej mówiąc mieszaninę rezystorów i baterii można zastąpić jednym rezystorem i jedną baterią tak jak pokazane to jest na rys

Wypadkowe theveninowskie rezystancja i napięcie wynoszą wówczas RT i UT. Ich wartości można wyznaczyć w sposób bardzo prosty. Napięcie UT jest napięciem na rozwartych zaciskach theveninowskiego układu zastępczego, a więc jeśli oba układy mają się zachowywać tak samo to musi to być również napięcie na rozwartych zaciskach układu pierwotnego. Napięcie to można wyliczyć lub zmierzyć. Rezystancję RT można znaleźć wiedząc, że prąd zwarcia układu zastępczego jest równy UT/RT lub inaczej mówiąc

UT=U(rozwarcia)

RT=U(rozwarcia)/I(zwarcia)

Z twierdzenia Thevenina korzysta się bardzo często , a szczególnie tam gdzie mamy do czynienia z łączeniem układów wzajemnie się obciążających, gdzie trzeba określić wielkość rezystancji obciążającej tak aby nie wpływała ona w znaczącym stopniu na obciążany układ. Najprostszym przykładem jest obciążanie dzielnika napięcia gdzie do określenia wzajemnych zależności między obciążeniem a wartościami rezystorów dzielnika wykorzystuje się twierdzenie Thevenina.

Moc (inaczej mówiąc praca wykonana w jednostce czasu) pobierana przez dowolne urządzenie (np. rezystor) jest równa: P = U * I

Dla napięcia U w woltach (V) i prądu I w amperach (A) otrzymuje się moc P w watach (W).

Korzystając z prawa Ohma (rys. 1.3) można otrzymać zależności, które przydadzą się np. przy określaniu mocy rezystorów: P = I2 * R oraz P = U2/R.

Moc najczęściej zamienia się w ciepło, aby się o tym przekonać wystarczy dotknąć obudowy dowolnego urządzenia elektronicznego podczas jego pracy.

Abyś mógł w pełni zrozumieć układy elektroniczne, w których mamy do czynienia ze zmieniającymi się w czasie napięciem, musisz poznać najbardziej typowe rodzaje sygnałów (tak właśnie nazywa się napięcia zmieniające się w czasie w określony sposób).

Sygnał sinusoidalny jest przedstawiony na rys. 1.7. Wzór opisujący ten sygnał wygląda następująco: U = Umsin2pft, gdzie:

Um - amplituda, f - częstotliwość wyrażona w hercach (Hz), t - czas w sekundach.

Jeśli przyjąć, że w=2pf, to sygnał sinusoidalny można opisać następującym wzorem: U = Umsinwt, gdzie w jest pulsacją wyrażoną w radianach na sekundę.

Falę sinusoidalną opisują dwa parametry amplituda i częstotliwość (dotyczy to również innych sygnałów). Czasami zamiast amplitudy używa się pojęcia wartości skutecznej Usk czy też wartości międzyszczytowej Upp.

Wartość skuteczna jest równa Usk=0,707*Um, natomiast wartość międzyszczytowa jest równa podwojonej amplitudzie Upp=2Um.

Przykładem wartości skutecznej sygnału sinusoidalnego może być znana wszystkim wartość 220V napięcia o częstotliwości 50Hz w gnieździe sieciowym, jakie znajduje się w każdym mieszkaniu. Amplituda tego napięcia wynosi 311V, a wartość międzyszczytowa 622V.

Szum przedstawiony na rys. 1.8

jest nieodłącznym towarzyszem sygnałów użytecznych i jest czymś niepożądanym w układach elektronicznych, a w szczególności w układach pomiarowych o dużej czułości. Najczęstszym rodzajem szumów jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory.

Sygnał prostokątny ma kształt pokazany na rys. 1.9

i podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością, z tą różnicą, że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest równa jej amplitudzie. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T=1/f.

Sygnał prostokątny składa się ze zbocza narastającego, poziomu wysokiego, zbocza opadającego i poziomu niskiego. Nie zawsze sygnał prostokątny wygląda tak jak na rysunku. Najczęściej spotyka się sygnał prostokątny tylko z "dodatnimi połówkami" to znaczy, że poziom niski jest w granicach 0V. Kształt jego jest również daleki od ideału, gdyż zbocza nie są prostopadłe (rys. 1.10).

Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (ms) i mierzy się go jako czas narastania od 0,1 do 0,9 napięcia sygnału.

Z sygnałami prostokątnymi mamy do czynienia nie tylko w układach cyfrowych, ale również na styku elektroniki analogowej i cyfrowej w takich układach jak komparatory, przetworniki A/C czy C/A, multipleksery analogowe.

Sygnał piłokształtny jest przedstawiony na rys. 1.11.

Faktycznie przypomina on zęby piły. Jest to sygnał o przebiegu liniowym, czyli takim, w którym napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością do określonej wartości i powtarzany jest okresowo.

Impulsy mogą przybierać kształty przedstawione na rys. 1.12. Najczęściej nie są to sygnały okresowe to znaczy nie powtarzają się w sposób regularny w czasie. Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsu.

W technice cyfrowej mamy jednak do czynienia również z impulsami powtarzającymi się okresowo, wtedy do opisu takiego sygnału dodajemy częstotliwość lub okres, oraz możemy również mówić o współczynniku wypełnienia, czyli stosunku szerokości impulsu do okresu powtarzania. Impulsy dzielimy na dodatnie (pierwszy impuls od lewej na rys. 1.12) i ujemne (drugi impuls od lewej na rys. 1.12).

rys. 1.12

Skoki i szpilki są w zasadzie sygnałami, które nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych, nadają się za to znakomicie do ich analizowania i opisu. Skok przedstawiony na rys. 1.13 jest częścią sygnału prostokątnego, natomiast szpilka pokazana na rys. 1.14 jest po prostu bardzo wąskim impulsem.

rys. 1.13

rys. 1.14

TRANSFORMATORY I CEWKI

Cewka indukcyjna (rys. 2.18)

jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia. Zależność tą można wyrazić wzorem:

gdzie L czyli indukcyjność jest najważniejszym parametrem cewki indukcyjnej. Indukcyjność podaje się w henrach H, w praktyce używa się najczęściej mH i mH.

Z podanego wzoru widać, że doprowadzenie do cewki napięcia stałego spowoduje narastanie prądu. Jeżeli więc do cewki o indukcyjności 1H przyłoży się napięcie 1V to prąd, który popłynie przez cewkę będzie narastał z prędkością 1A/s.

Symbol cewki indukcyjnej (rys. 2.18) przypomina spiralę i tak jest w rzeczywistości, gdyż cewka jest spiralą z drutu nawiniętą na rdzeniu. Różnice między cewkami dotyczą głównie rdzenia, na którym są nawinięte. Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki. Rdzenie są budowane z żelaza lub ferrytu (jest to nieprzewodzący materiał magnetyczny) i mogą mieć przeróżne kształty np.: toroidu czyli pierścienia, prętu, "kubka" itd.

Cewki mają wiele zastosowań szczególnie w układach radiowych w różnych filtrach i dławikach wielkiej częstotliwości (w.cz.), w obwodach rezonansowych, generatorach czy też w układach kształtujących impulsy.

Zdjęcie przedstawia cewki indukcyjne:

a) na rdzeniu toroidalnym,

b) na rdzeniu walcowym.

Transformator (rys. 2.19)

jest urządzeniem składającym się z dwóch silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (cewek), nawiniętych na wspólnym rdzeniu, nazywanych uzwojeniem pierwotnym i wtórnym.

Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2w uzwojeniu wtórnym. Napięcie to będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym, a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora. Można to zapisać wzorem:

gdzie: - n jest przekładnią zwojową transformatora,

- n1 jest liczbą zwojów w uzwojeniu pierwotnym,

- n2 jest liczbą zwojów w uzwojeniu wtórnym,

Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie.

Stosunek prądu I2 płynący w uzwojeniu wtórnym transformatora i prądu I1 płynącego w uzwojeniu pierwotnym jest odwrotnie proporcjonalny do przekładni zwojowej transformatora, co można zapisać następująco:

Korzystając z dwóch powyższych wzorów i wzoru na moc można wykazać, że w idealnym transformatorze (bez strat) moc po obu stronach transformatora jest taka sama. Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatorów, jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru:

Zdjęcie przedstawia przykłady transformatorów:

a) transformator sieciowy,

b) transformator z rdzeniem typu RM.

gdzie: - Z1 jest impedancją po stronie pierwotnej transformatora,

- Z2 jest impedancją po stronie wtórnej transformatora.

Właściwość ta wykorzystywana jest w transformatorach małej częstotliwości (m.cz.) do dopasowywania impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub też do dopasowania impedancji między wzmacniaczem i głośnikiem.

Transformatory, z którymi mamy najczęściej do czynienia to transformatory sieciowe. Transformatory te mają do spełnienia dwie podstawowe funkcje w urządzenizch elektronicznych:

- zmieniają napięcie sieciowe (220V 50Hz) na niższe,

- izolują układ elektroniczny od części sieciowej, oznacza to, że nie ma połączenia elektrycznego między siecią, a układem elektronicznym zasilanym z obniżonego napięcia.

DIODY

Dioda jest elementem półprzewodnikowym i aby wyjaśnić jej działanie musiałbyś poznać budowę złącza p-n, a tutaj kłania się fizyka ciała stałego. Żeby można było skorzystać z właściwości diody nie jest to niezbędne.

Dioda podobnie jak elementy RLC jest elementem dwukońcówkowym, biernym (lub jak kto woli - pasywnym) ale w odróżnieniu od nich jest elementem nieliniowym.

W przypadku diody nie ma zastosowania prawo Ohma ale za to ma ona bardzo pożyteczną cechę, a mianowicie prąd może przez nią płynąć tylko w jednym kierunku.

Symbol graficzny diody przedstawiony jest na rys. 3.1, jak widać jest on podobny do strzałki, która w tym przypadku wyznacza kierunek przepływu prądu przez diodę.

Wyprowadzenie diody A jest nazywane anodą, a wyprowadzenie K jest nazywane katodą. Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK>0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody. W przypadku gdy napięcie UAK<0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie. Tak naprawdę to płynie tak zwany prąd wsteczny ale jest on zwykle o kilka rzędów mniejszy niż prąd przewodzenia dlatego przyjmuje się, że jest on równy zeru. Oczywiście tak jest do czasu gdy napięcie zaporowe nie przekroczy pewnej granicy tak zwanego napięcia przebicia, a wówczas popłynie prąd porównywalny z prądem w kierunku przewodzenia. Zwykle powoduje to uszkodzenie diody, chyba że mamy do czynienia ze specjalnym rodzajem diody tak zwanej diody Zenera, w której wykorzystywana jest napięcie przebicia do stabilizacji (inna nazwa takiej diody to stabilistor).

Charakterystyka diody

Na rys. 3.2 przedstawiona jest charakterystyka diody ID=ID(UAK). Jak widać na rysunku już przy bardzo małych napięciach UAK (jest to napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę ID (prąd przewodzenia) bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu maksymalnego IFmax. Napięcie przewodzenia diody UF określa się przy prądzie przewodzenia IF=0,1·IFmax. Dla diody germanowej Ge (diody mogą być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.

Jako "ciekawostkę" podam wzór na teoretyczną charakterystykę diody:

gdzie:

- IS jest teoretycznym prądem wstecznym,

- m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2,

- UT=kT/q jest potencjałem elektrokinetycznym.

Potencjał ten w temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:

Charakterystyki diody krzemowej i germanowej przedstawione na rys. 3.3

powstały na podstawie przedstawionego wyżej wzoru.

Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej wynoszą:

- dioda krzemowa IS=10 pA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA

- dioda germanowa IS=100 nA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA.

Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=0,1·IFmax. Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Przełączanie diody

Oprócz napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu przewodzenia, bardzo ważnym parametrem diody jest jej czas magazynowania ładunku tm. Proces wyłączania diody pokazany jest na przebiegach czasowych na rys. 3.4.

Dioda D włączona w układ z źródłem napięcia Ug nie wyłącza się od razu po zmianie napięcia Ug z dodatniego na ujemne. Jak widać na rysunku napięcie na diodzie spada z opóźnieniem równym czasowi magazynowania ładunku w złączu p-n. Typowe wartości tego czasu są dla diod małej mocy równe od ok. 10ns do 100ns, a dla diod dużej mocy nawet rzędu µs.

Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi należy zwracać uwagę na to aby czas magazynowania był znacznie mniejszy od okresu sygnału, który ma ulec wyprostowaniu na diodzie.

Dioda Schottky'ego

W przypadku gdy chcemy włączyć diodę w układ z sygnałem o dużej częstotliwości to lepiej jest zastosować diodę Schottky'ego. W diodzie Schottky'ego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-półprzewodnik, które też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku). Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps. Oprócz tego diody Schottky'ego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=0,3V) niż diody krzemowe.

Dioda Zenera

Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera napięcie to jest dokładnie określone i nazywane jest napięciem Zenera UZ.

Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.6, a charakterystyka tej diody na rys. 3.7.

Jak widać na rys. 3.7 stabilizacja na diodzie zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody DID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia DUAK i przyjmuje się, że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera UZ.

Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Produkuje się diody na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamiętać, że im mniejsze jest to napięcie tym gorsza stabilizacja.

Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.8.

Rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia. Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji. Kilka układów przedstawiających lepsze rozwiązania przedstawiłem w dziale Ciekawe rozwiązania układowe.

Dioda jako prostownik

Jednym z najczęstszych i najprostszych zastosowań diody jest wykorzystanie jej jako prostownika.

Prostownik zamienia prąd przemienny, czyli taki który płynie na zmianę w dwóch kierunkach na prąd jednokierunkowy. Często o diodach mówi się "prostownik" mając na myśli takie właśnie zastosowanie.

Prostownik jednopołówkowy

Na rys. 3.9 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. Ug jest źródłem napięcia przemiennego, a RL jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) źródłem napięcia wejściowego Ug jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci 220V 50Hz, które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na obciążeniu UL wygląda tak jak na rys. 3.10 (przebieg czerwony).

Jak widać przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy Ug>0.6V). Można więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie UL występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego Ug.

Prostownik dwupołówkowy

Na rys. 3.11 przedstawiony jest inny układ prostownika.

Jest to dwupołówkowy układ mostkowy. Tak zwany mostek złożony jest z diod D1, D2, D3, D4. Przebiegi napięcia wejściowego Ug i wyjściowego UL przedstawione są na rys. 3.12.

Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL, dalej poprzez diodę D3 do źródła Ug. Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D2 do obciążenia RL jak widać zachowując ten sam kierunek przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a następnie poprzez diodę D4 z powrotem do źródła Ug. W efekcie na wyjściu układu otrzymamy napięcie wyprostowane dwupołówkowo co widać na przebiegu z rys. 3.12 (przebieg czerwony). Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach. Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla obu kierunków sygnału wejściowego, z wejściem są połączone szeregowo dwie diody. Dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi być większe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Ug>2·0.6V). Warto o tym pamiętać szczególnie przy projektowaniu zasilaczy.

Prostownik w zasilaczu sieciowym

Prostownik jednopołówkowy czy dwupołówkowy w takich postaciach jak przedstawione na rys. 3.9

nie mają w zasadzie praktycznego zastosowania gdyż napięcie otrzymywane na wyjściu nie zmienia wprawdzie kierunku lecz ma bardzo duże zmiany jeśli chodzi o wartość napięcia - zmiany te są nazywane tętnieniami.

Aby otrzymać napięcie stałe również co do wartości należy je wygładzić, a w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy. Filtr ten najczęściej ma postać kondensatora elektrolitycznego (czasami można zastosować pomiędzy mostkiem, a kondensatorem mały rezystor dla ograniczenia prądu).

Przykład zastosowania prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym przedstawiony jest na rys. 3.13. Źródłem napięcia zmiennego jest napięcie sieciowe obniżane na transformatorze sieciowym. Kondensator filtrujący (wygładzający) C dołączony jest równolegle do obciążenia RL. Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość rozładowywania zależy od stałej czasowej RL·C. Przebieg napięcia wyjściowego U przedstawiony jest na rys. 3.14. Kolorem czerwonym zaznaczony jest kształt napięcia na wyjściu prostownika bez kondensatora filtrującego C, a kolorem niebieskim napięcie na wyjściu z dołączonym kondensatorem. Napięcie tętnień Ut równe jest DU. Aby zapewnić małą amplitudę tętnień to wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek

RL·C>>1/f

gdzie f jest częstotliwością tętnień - w tym przypadku jest to 100Hz (częstotliwość napięcia sieciowego jest równa 50Hz). Warunek ten oznacza, że czas jaki upływa między następującymi po sobie doładowaniami kondensatora jest znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu rozładowania.

Aby obliczyć wartość międzyszczytową napięcia tętnień (na rys. 3.14 oznaczona jako DU) wystarczy zajrzeć do działu Elementy RLC i przypomnieć sobie skąd się bierze wzór:

DU=(I/C)·Dt

Dla

Dt=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe

Dt=½T=1/2f - prostowanie dwupołówkowe

gdzie T jest okresem napięcia sieciowego (20ms), a f jego częstotliwością (50Hz), otrzymuje się następujące wzory na wartość napięcia tętnień:

odpowiednio dla prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego. Prąd IL jest prądem obciążenia.

Oczywiści powyższe wzory są pewnym przybliżeniem, ale z praktycznego punktu widzenia zupełnie wystarczajacym i przy ich pomocy będziesz mógł wyliczyć właściwą wartośc pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym, zakładając oczywiście dopuszczalną wartość napięcia tętnień i maksymalny prąd obciążenia.

Dioda jako klucz

Podstawową właściwość diody jaką jest przewodzenie prądu w jednym kierunku można doskonale wykorzystać w układach przełączających - kluczach.

Przełącznikiem diodowym (kluczem) nazywany jest nieliniowy dzielnik napięcia złożony z rezystora i diody. Oczywiście elementem nieliniowym jest dioda.

Na rysunku 3.15 pokazane są możliwe konfiguracje układu klucza diodowego i jego charakterystyki przejściowe (oczywiście są to charakterystyki uproszczone).

Układy te różnią się jedynie umiejscowieniem zacisków wejściowych i wyjściowych. Wystarczy więc przeanalizować działanie jednego z nich przedstawionego na rysunku 3.16.

Na układ klucza diodowego z rysunku 3.16 składają się dioda D i rezystor R. Klucz pobudzany jest impulsem prostokątnym otrzymywanym ze źródła Ug, którego rezystancja wewnętrzna wynosi Rg. Jeżeli napięcie pobudzające jest wystarczająco duże to klucz diodowy zostaje włączony czyli dioda przewodzi, a wejście z wyjściem jest połączone. Inaczej mówiąc na wyjściu pojawi się takie samo napięcie jak na wejściu, oczywiście jeśli pominąć napięcie przewodzenia diody UF czy spadek napięcia na Rg. Gdy impuls pobudzający zmieni polaryzację to dioda jest zatkana lub mówiąc inaczej klucz jest wyłączony, a wejście z wyjściem rozłączone.

Gdy klucz diodowy jest włączony to w obwodzie płynie prąd IF, którego wartość można wyliczyć ze wzoru:

a napięcie wyjściowe wynosi wówczas:

Z tego wzoru widać, że aby wpływ na napięcie wyjściowe Uwy spadku napięcia UF na przewodzącej diodzie i na rezystancji wewnętrznej źródła Rg był znikomy to napięcie pobudzające Ug musi być znacznie większe od UF, a R musi być znacznie większe od Rg.

Wadą klucza diodowego jest również to, że jest on wrażliwy na zmiany obciążenia reagując zmianą napięcia wyjściowego. Inną wadą jest przenoszenie się wszelkich zakłóceń w obu kierunkach (oczywiście w czasie włączenia klucza). Pomimo tych wad klucze diodowe są stosowane szczególnie w technice impulsowej, ponieważ posiadają zaletę jaką jest bardzo mała bezwładność.

Ogranicznik diodowy

Układ pokazany na rysunku 3.17

ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +4,6V (zakładając, że spadek napięcia na przewodzącej diodzie wynosi 0,6V). Na katodzie diody występuje napięcie 4V (aby obliczyć w tym miejscu to napięcie wystarczy skorzystać ze wzoru na dzielnik napięcia). Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 4,6V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości:

Uwy= 4V + 0,6V = 4,6V

Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 4,6V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości. Dla napięć wejściowych mniejszych od 4,6V napięcie na wyjściu będzie równe wejściowemu. Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza czyli rezystancja połączonych równolegle R2 i R3 (przy obliczaniu rezystancji zastępczej źródło napięcia +12V należy potraktować jak zwarcie do masy) była mała w porównaniu z rezystorem R1, gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źródła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3).

ZASILACZE

Budowa zasilacza

Każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obniżającego napięcie sieci 220V, czyli po prostu transformatora i układu zamieniającego obniżone napięcie przemienne na stałe, czyli układu prostownika z filtrem. Jeżeli do tego napięcia wyjściowe muszą być o małych tętnieniach (czyli zmianach wartości napięcia wyjściowego), to zasilacz musi być wyposażony w odpowiednie układy stabilizatorów. Schemat blokowy takiego zasilacza pokazany jest na rys. 10.1.

Wbrew pozorom zaprojektowanie zasilacza nie jest wcale takie proste jeżeli chce się to zrobić w sposób optymalny, biorąc pod uwagę wszystkie zakładane parametry wyjściowe zasilacza, oraz warunki w jakich mu przyjdzie pracować (np. zmiany napięcia wejściowego czyli napięcia sieci).

Projektowanie zasilacza należy zacząć od określenia wartości napięć wyjściowych, dopuszczalnych tętnień (czyli zmian napięć wyjściowych) oraz maksymalnych prądów wyjściowych. Trzeba określić czy będzie to zasilacz stabilizowany czy też niestabilizowany.

Poniżej przedstawię etapy projektowania zasilacza sieciowego. Etapy te będą poparte przykładowymi obliczeniami, które w efekcie końcowym dadzą projekt zasilacza stabilizowanego o trzech napięciach wyjściowych. Mam nadzieję, że pomoże to początkującym kolegom w zbudowaniu własnego zasilacza.

rys. 10.1

Określenie parametrów zasilacza

W pierwszej kolejności przy projektowaniu zasilacza trzeba sobie odpowiedzieć na pytanie do jakich celów będzie on używany.

Jeśli ma być to zasilacz "laboratoryjny" czyli zasilacz, który będzie służył do uruchamiania różnych układów elektronicznych to powinien spełniać następujące warunki:

musi to być zasilacz stabilizowany

powinien mieć trzy napięcia wyjściowe

- stałe +5 V przy prądzie obciążenia przynajmniej 1,5 A

- regulowane od 0 V do +15 V przy prądzie obciążenia 1 A

- regulowane od 0 V do -15 V przy prądzie obciążenia 1 A

napięcia tętnień nie powinny przekraczać 2% wartości napięcia wyjściowego

powinien posiadać zabezpieczenie przeciwzwarciowe

powinien mieć możliwość wyświetlania ustawionej wartości napięć regulowanych

Oczywiście są to przykładowe parametry. Można zwiększać wartości prądów wyjściowych czy też zmieniać wartości napięć wyjściowych lub zrezygnować z możliwości regulacji napięć wyjściowych, co znacznie upraszcza konstrukcję. Nie ma konieczności wbudowywanie układu wyświetlającego wartość ustawionego napięcia wyjściowego (chociaż daję to pewien komfort pracy).

Jeśli projektowany zasilacz ma być fragmentem układu elektronicznego to jego parametry będą zależeć od wymagań stawianych przez ten układ. Na przykład dla układów wzmacniaczy mocy nie projektuje się zasilaczy stabilizowanych.

Dla przykładu, na którym będzie się opierać dalszy tok projektowania określę następujące warunki jakie będzie miał spełniać zasilacz:

zasilacz stabilizowany

trzy napięcia wyjściowe

- stałe +5 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1,5 A

- stałe +12 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1 A

- stałe -12 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1 A

napięcia tętnień maksimum 2% wartości napięcia wyjściowego

powinien posiadać zabezpieczenie przeciwzwarciowe

Oczywiście są to minimalne założenia, ale wystarczające aby zrozumieć istotę problemu projektowania zasilaczy.

Na rysunku 10.2 przedstawiony jest schemat blokowy zasilacza, który będzie przedmiotem dalszych etapów projektowania.

Zasadę rysowania schematów blokowych dobrze jest stosować zawsze przy projektowaniu układów elektronicznych. Schemat blokowy podzieli cały układ na bloki funkcjonalne co ułatwia i przyśpiesza projektowanie.

Transformator

Najtrudniejszym chyba zadaniem jest właściwy dobór transformatora, gdyż musi on uwzględniać wiele czynników mających wpływ na pracę zasilacza takich jak:

dopuszczalny zakres zmian napięcia sieciowego czyli 230V ±10% (to nie jest pomyłka, przyjęło się 220V gdyż tak było do tej pory, ale w związku z procesem integracji europejskiej i u nas zostały wprowadzone zmiany co do wymagań na napięcie sieci)

spadek napięcia na prostowniku

spadek napięcia na stabilizatorze

minimalną wartość napięcia potrzebnego do poprawnej pracy układu stabilizatora

straty napięcia wyjściowego wynikające z rezystancji wewnętrznej uzwojeń transformatora

moc wyjściową zasilacza i straty mocy na poszczególnych elementach zasilacza

Przy projektowaniu zasilaczy dużą rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna Rw uzwojeń transformatora (rysunek 10.3). Jest to bardzo ważny parametr, jednak najczęściej zapomina się o nim. Często słyszy się określenia, że transformator jest bardziej lub mniej "miękki", czyli że napięcie wyjściowe zmniejsza się przy zwiększaniu obciążenia. Za taki efekt odpowiedzialna jest właśnie rezystancja uzwojeń.

Rezystancję wewnętrzną można obliczyć na podstawie podawanych przez producenta transformatorów wartości znamionowych napięć i prądów (Unsk, Insk - są to wartości skuteczne) oraz współczynnika su określającego spadek napięcia przy obciążeniu znamionowym. Współczynnik su nie zawsze jest podawany ale można go wyliczyć znając napięcie biegu jałowego U0sk (bez obciążenia), które wystarczy zmierzyć.

su=Uosk/Unsk

Korzystając z tego wzoru można wyliczyć rezystancję wewnętrzną Rw transformatora

Rw=(Uosk- Unsk)/Insk

Rezystancja wewnętrzna transformatora ma wpływ na

spadek napięcia wyjściowego transformatora pod obciążeniem

prąd szczytowy przewodzenia diody w układzie zasilacza, a co za tym idzie również na spadek napięcia na diodzie

Aby w pełni zrozumieć jakie znaczenie ma rezystancja wewnętrzna transformatora najlepiej jest przeanalizować przykład porównujący pracę transformatora obciążonego rezystancją obciążenia RL (rys. 10.4)

i pracę transformatora w układzie zasilacza z prostowaniem dwupołówkowym obciążonego tą samą rezystancją RL (rysunek 10.5).

Układ z rysunku 10.4 jest to po prostu transformator obciążony rezystancją RL. Prąd I płynący przez obciążenie RL zależy bezpośrednio od wartości tego obciążenia i napięcia U na wyjściu transformatora. Jak widać na przebiegach prąd I (linia czerwona) płynie bez przerwy i w obu kierunkach - jest to też sinusoida jak i dla napięcia U. Napięcie U pod obciążeniem (linia zielona) jest nieco niższe od napięcia biegu jałowego (linia szara) i zależy od spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej wywołanego prądem I.

Zupełnie inaczej sprawa przedstawia się gdy transformator pracuje z prostownikiem tak jak na rysunku 10.5. W tym układzie prąd I, który wypływa z transformatora nie jest już tylko zależny od obciążenia RL. Prąd ten płynie tylko w krótkim czasie gdy napięcie na kondensatorze spadnie na tyle aby umożliwić przewodzenie mostka prostowniczego i doładowanie kondensatora. Jak widać na przebiegach z rys. 10.5 wartość prądu I doładowującego kondensator jest dużo większa niż dla układu z rys. 10.4. Przy tak dużej chwilowej wartości prądu płynącego przez uzwojenie wtórne transformatora spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej jest dużo większy niż w układzie z rys. 10.4. Większy prąd powoduje więc znaczny spadek napięcia wyjściowego transformatora. Wydawałoby się, że lepiej jest stosować w takim razie sztywne transformatory (o małej rezystancji uzwojeń), ale to z kolei sprawi, że popłynie większy prąd przez mostek prostowniczy powodując zwiększenie spadku napięcia na przewodzących diodach nawet dwukrotnie. Dla typowych diód z rodziny 1N4001 ... 1N4007 będzie to oznaczało zwiększenie spadku z 1V (przy 1A) nawet do ponad 1,5V, co dla układu mostkowego da obniżenie napięcia wyjściowego zasilacza nawet o 3V.

Podsumowując nie da się określić wprost jakie będzie naprawdę napięcie wyjściowe z prostownika. Będzie ono na pewno niższe niż wynikałoby to z prostego przemnożenia katalogowej wartości napięcia nominalnego Unsk pomnożonego przez pierwiastek z dwóch. Dlatego należy dobierać transformator o mocy większej niż wynikałoby z porównania mocy wyjściowej jaką potrzebujemy z katalogową wartością mocy transformatora. Niektóre prace poświęcone tym zagadnieniom podają, że różnica ta powinna być nawet dwukrotna, takie podejście jest moim zdaniem trochę przesadzone.

Na moc prądu stałego dla układu z rys.10.5 składa się moc oddawana do obciążenia czyli IL· UL i moc strat na prostowniku czyli 2UD· IL, gdzie IL jest średnim prądem obciążenia, a UD to spadek napięcia na diodzie przy prądzie I L. Ponieważ zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami wartość chwilowa prądu ładowania kondensatora jest dużo większa od wartości średniej prądu IL, to aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnej mocy strat transformatora, jego moc znamionowa powinna być większa od mocy prądu stałego, co można przedstawić wzorem:

PTr = a · IL· (UL+ 2UD)

gdzie a jest współczynnikiem umożliwiający uwzględnienie większej wartości skutecznej prądu. Dla układu jak na rys.10.5 współczynnik ten powinien wynosić 1,2. W praktyce lepiej jest przyjąć 1,5 co oczywiście będzie skutkowało większymi wymiarami transformatora ale da w zamian lepszą sprawność układu.

Dla zasilacza, który wspólnie chcemy zaprojektować bilans mocy potrzebny do określenia mocy transformatora przeprowadzę dopiero po wyborze układów prostowników i ich ilości oraz układów stabilizatorów i określeniu wartości napięć wyjściowych transformatora.

Teraz należy się zastanowić ile uzwojeń wtórnych powinien mieć transformator, który będziemy chcieli zastosować. Dla zasilacza, którego parametry i zastosowanie określiłem wcześniej dobrze jest zastosować transformator o trzech uzwojeniach wtórnych - symbol takiego transformatora jest pokazany na rysunku 10.6.

Dwa uzwojenia będą o takiej samej wartości napięcia oraz obciążalności i będą służyły do uzyskania napięć zasilacza ±12V, trzecie uzwojenie będzie służyło dla uzyskania napięcia +5V - wartość napięcia tego uzwojenia jak łatwo się domyślić będzie mniejsza niż pozostałych dwóch.

Wybór takiego transformatora pozwoli na zmniejszenie jego mocy (niższe napięcie jednego z uzwojeń) oraz na separację poszczególnych zasilań od siebie co nieraz może się przydać. Pociąga to oczywiście za sobą konieczność użycia trzech prostowników ale przy obecnych cenach tych elementów nie jest to duży wydatek. W przypadku gdy masa układu zasilanego z naszego zasilacza będzie wspólna, wystarczy przewidzieć w konstrukcji obudowy zasilacza zewnętrzne zwory umożliwiające połączenie mas poszczególnych napięć zasilacza. Do realizacji napięć ±12V można by użyć jednego prostownika stosując układ z tak zwanym dzielonym uzwojeniem wtórnym (rysunek 10.7) ale wówczas pozbawimy się możliwości separacji tych zasilań. Ostateczny wybór i tak będzie zależny od możliwości zakupu właściwego transformatora.

Prostownik

W dziale "Diody" zostały krótko omówione rodzaje prostowników. Tutaj jest miejsce aby potraktować ten temat nieco szerzej. Dla przypomnienia prostowniki dzieli się na:

- jednopołówkowe

- dwupołówkowe (mostkowe)

Prostownik jednopołówkowy przedstawiony jest na rysunku 10.8, a wzory [1] związane z tym układem po prawej stronie rysunku. Niektóre z tych wzorów mogą się przydać przy projektowaniu zasilaczy. Na rysunku 10.9 przedstawione są przebiegi napięć i prądów w układzie prostownika z rys. 10.8

Na rys. 10.8 jest przedstawiony najprostszy układ prostownika. Jest to prostownik jednopołówkowy, ponieważ prąd płynie przez diodę tylko podczas dodatniej połówki sinusoidy napięcia u0(t), będącego napięciem uzwojenia wtórnego transformatora. Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym), to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połówki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego

Uwy0=1,41 · U0sk- UD

gdzie 1,41 to pierwiastek z liczby 2, a UD jest napięciem przewodzenia diody, natomiast U0sk jest wartością skuteczną napięcia uzwojenia wtórnego transformatora w biegu jałowym.

W czsie ujemnej połówki sinusoidy napięcia na transformatorze, dioda nie przewodzi i występuje na niej maksymalne napięcie wsteczne równe

URM=2· 1,41 · U0sk- UD @ 2,82 · U0sk

Jeżeli układ prostownika zostanie obciążony rezystorem RL, to kondensator C będzie rozładowywany przez ten rezystor tak długo dopóki nie przewodzi dioda czyli do czasu aż napięcie na na wyjściu transformatora będzie większe o UD od napięcia wyjściowego, kondensator C zostanie wówczas ponownie naładowany do napięcia wyjściowego, którego wartość zależna jest (jak już wiadomo) od rezystancji wewnętrznej transformatora.

Na rysunku 10.9 przedstawione są przebiegi napięć i prądu w układzie prostownika jednopołówkowego. Krzywa koloru czerwonego to prąd transformatora doładowujący kondensator, kolorem zielonym został oznaczony przebieg napięcia wyjściowego, widać na nim zaznaczoną wartość międzyszczytową tętnień. Na przebiegu napięcia wyjścioweo widać, że czas rozładowywania kondensatora jest znacznie dłuższy od czasu ładowania, a więc nawet przy nieduzych obciążeniach kondensator będzie mocno rozładowywany i na wyjściu będą duże tętnienia. Układ prostownika jednopołówkowego może więc być stosowany tylko tam gdzie są małe obciążenia i gdzie nie zależy nam na małych tętnieniach napięcia wyjściowego.

Prostownik dwupołówkowy mostkowy przedstawiony jest na rysunku 10.10, a wzory [1] związane z tym układem po prawej stronie rysunku. Niektóre z tych wzorów mogą się przydać przy projektowaniu zasilaczy. Na rysunku 10.11

przedstawione są przebiegi napięć i prądów w układzie prostownika z rys. 10.10.

Mechanizm prostowania dwupołówkowego przedstawiłem już w dziale Diody, a więc w tym miejscu nie będę już tego powtarzał. W układzie prostownika dwupołówkowego uzyskuje się znacznie lepszy stosunek czasu rozładowania kondensatora do czasu ładowania niż w układzie jednopołówkowym, inaczej mówiąc przy tym samym obciążeniu czas rozładowania kondensatora w układzie mostkowym jest znacznie krótszy niż w układzie jednopołówkowym. Efektem tego są mniejsze tętnienia napięcia wyjściowego.

Na rys. 10.10 jest przedstawiony układ prostownika mostkowego. Jest to prostownik dwupołówkowy, ponieważ prąd płynie przez diody podczas dodatniej i ujemnej połówki sinusoidy napięcia u0(t), będącego napięciem uzwojenia wtórnego transformatora. Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym), to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połówki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego równej

Uwy0=1,41 · U0sk- 2 · UD

gdzie 1,41 to pierwiastek z liczby 2, a UD jest napięciem przewodzenia diody, natomiast U0sk jest wartością skuteczną napięcia uzwojenia wtórnego transformatora w biegu jałowym. Jeżeli układ zostanie obciążony rezystancją RL to kondensator jest rozładowywany aż do momentu gdy podczas trwania ujemnej połówki sinusoidy napięcie u0(t) przewyższy napięcie na kondensatorze i wówczas kondensator zostanie doładowany przez drugą parę diod mostka (patrz dział Diody). Jak widać z powyższego wzoru napięcie na kondensatorze będzie pomniejszone o podwójny spadek napięcia przewodzenia diody (dla każdej połówki sinusoidy w obwodzie ładowania kondensatora są dwie diody połączone szeregowo), co jest mniej korzystne niż w przypadku prostownika jednopołówkowego (należy to uwzględnić przy doborze napięć wtórnychtransformatora). Natomiast niewątpliwą korzyścią jest to, że w układzie mostkowym można uzyskać dwa razy większy prąd stosując ten sam typ diod co w układzie jednopołówkowym. Na przykład dla diod z serii 1N4001 ... 1N4007 prąd przewodzenia wynosi 1A , to w układzie mostkowym można uzyskać 2A. Jest to spowodowane tym, że średni prąd przewodzenia każdej gałęzi mostka jest równy połowie prądu wyjściowego (zgodnie z zasadą zachowania ładunku). Moc strat dla pojedynczej diody będzie w związku z tym o połowę mniejszy niż dla diody w układzie jednopołówkowym. Następną korzyścią jest to że napięcia wsteczne jest dwa razy mniejsze niż w układzie prostownika jednopołówkowego i wynosi

URM=1,41 · U0sk- 2 · UD

Bardzo istotną sprawą, na którą należy zwrócić uwagę jest fakt występowania dużego prądu ładującego kondensator w momencie włączenia zasilania. Jest to spowodowane tym, że kondensator nie jest naładowany i układ zachowuje się tak jakby wystąpiło chwilowe zwarcie, czyli popłynie prąd ograniczony jedynie rezystancją wewnętrzną transformatora. Jeżeli rezystancja ta jest mała, to często stosuje się, szczególnie w zasilaczach dla wzmacniaczy mocy, szeregową rezystancję ograniczającą szczytowy prąd przewodzenia IDM. Również w tym przypadku układ mostkowy okazuje się bardziej korzystnym gdyż szczytowy prąd przewodzenia jest 1,41 (pierwiastek z dwóch) razy mniejszy niż w układzie jednopołówkowym. Na koniec jeszcze jedna zaleta układu mostkowego - napięcie tętnień Utpp jest w przybliżeniu dwukrotnie mniejsze niż w układzie jednopołówkowym.

rys. 10.11

Podsumowując bardziej korzystnym i najczęściej stosowanym jest układ prostownika mostkowego. Również w naszym przykładzie zasilacza zastosujemy prostowniki mostkowe budując je np. z diod 1N4001 (lub podobnych) ewentualnie można zastosować gotowe mostki na prąd 1A. Schemat układu prostowników dla naszego zasilacza przedstawiony jest na rysunku 10.12. Kondensatory C1, C2, i C3 należy obliczyć korzystając z przybliżonego wzoru na napięcie tętnień Utpp przy uwzględnieniu wzoru na minimalne napięcie wyjściowe Uwymin.

Szczegółowe wyliczenia (patrz przykład) będą oczywiście możliwe dopiero po określeniu jakie napięcie wyjściowe jest potrzebne i jakie napięcie minimalne na wyjściu prostownika jest dopuszczalne. Jest to uzależnione od zastosowanego układu stabilizatora (musimy wiedzieć jaka jest dopuszczalna różnica napięć pomiędzy wyjściem, a wejściem stabilizatora).

Prostownik dwupołówkowy z dzielonym uzwojeniem wtórnym Kończąc temat prostowników w zasilaczach warto poświęcić chwilę uwagi prostownikom z dzielonym uzwojeniem wtórnym. Układ takiego prostownika jest przedstawiony na rysunku 10.13, a wzory [1] związane z tym układem po prawej stronie rysunku. Cechą charakterystyczną takiego układu jest to że środkowy odczep uzwojenia transformatora (lub punkt połączenia dwóch identycznych uzwojeń) jest dołączony do masy układu.

Układ z rysunku 10.13 zachowuje wszystkie cechy układu prostownika dwupołówkowego (o czym świadczą podane powyżej wzory), a ponadto dzięki temu, że dla każdego półokresu napięcia transformatora u0 prąd płynie tylko przez jedną diodę strata napięcia wyjściowego spowodowana spadkiem napięcia na diodzie jest o połowę mniejsza (czyli taka jak dla układu jednopołówkowego). Wydawałoby się, że układ ten jest lepszy od układu mostkowego gdyż potrzebne są tylko dwie diody i są mniejsze straty na napięciu wyjściowym, ale jak łatwo zauważyć zamiast jednego uzwojenia wtórnego potrzebne są dwa uzwojenia o tych samych napięciach wyjściowych. Wprawdzie uzwojenia te mogą być o mocy dwa razy mniejszej niż dla układu mostkowego, lecz będzie to okupione dwukrotnym zwiększeniem rezystancji wewnętrznej transformatora, a co za tym idzie większymi stratami napięcia na transformatorze. Przy małych napięciach wyjściowych, dla których spadki napięcia na diodzie są znacznymi, lepiej jest stosować układ z dzielonym uzwojeniem wtórnym, natomiast dla dużych napięć wyjściowych korzystniejszy jest układ mostkowy.

Modyfikując układ z rysunku 10.13 można otrzymać układ, w którym uzyska się jednocześnie dodatnie i ujemne napięcie wyjściowe. Układ taki jest pokazany na rysunku 10.14.

W przeciwieństwie do układu z rys.10.13, gdzie nie były wykorzystywane ujemne połówki napiecia u0 w każdym z uzwojeń transformatora, przez dodanie dwóch diod odwrotnie włączony otrzymuje się układ (rys. 10.14), na wyjściu którego są dwa napięcia symetryczne względem masy. Jeżeli się bliżej przyjrzeć temu układowi to łatwo zauważyć że tak naprawdę diody D1 ... D4 stanowią układ połączeń mostka (patrz rysunek 10.7), a więc zamiast diod można zastosować gotowy mostek.

Jeżeli nie zależy nam na izolowanych od siebie masach napięć dodatniego i ujemnego w zasilaczu, to aż się prosi aby układ taki zastosować w przykładzie zasilacza, w którym mają być dwa symetryczne napięcia wyjściowe. Przy takim założeniu schemat układu prostowników dla naszego zasilacza przedstawiony jest na rysunku 10.15.

Kondensator filtrujący

Kondensator, który należy umieścić na wyjściu układu prostownika odgrywa bardzo ważną rolę gdyż od niego zależy wielkość tętnień napięcia wyjściowego, o czym świadczą przytoczone wcześniej wzory na napięcie tętnień Utpp.

Z wzorów tych jasno wynika, że im większa pojemność kondensatora tym tętnienia mniejsze. Można również zauważyć, że im większy prąd wyjściowy tym większy kondensator należałoby zastosować.

Przekształcając matematycznie wzór na Utpp (dla prostownika dwupołówkowego) można otrzymać zależność na wartość pojemności kondensatora filtrującego przy zakładanych wartościach tętnień i prądu wyjściowego.

C=Iwy/(2·f·Utpp)

gdzie f=50Hz jest częstotliwością napięcia sieciowego 230V.

Zakładając napięcie tętnień 0,5V przy prądzie 1,5A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C=30000µF, co jest wartością bardzo dużą, w praktyce stosuje się o wiele mniejsze pojemności, godząc się z większymi tętnieniami. Dopuszczalną wartość tętnień wyznaczy nam znamionowa wartość napięcia wyjściowego transformatora (jakim będziemy dysponować), spadek napięcia na diodach prostownika oraz wymagana różnica napięć pomiędzy wyjściem i wejściem stabilizatora oraz oczywiście napięcie wyjściowe stabilizatora.

STABILIZATORY

Prawie wszystkie układy czy urządzenia elektroniczne wymagają zasilacza, w którym jest przynajmniej jedno źródło napięcia stałego

o bardzo dobrych parametrach, co zwykle oznacza, że napięcie takiego źródła nie zmienia się ani pod wpływem zmian napięcia w sieci (220V), ani pod wpływem zmian obciążenia. Oczywiście pewne zmiany zawsze będą (nazywa się je tętnieniami) ale dąży się do tego aby były jak najmniejsze. Cel taki uzyskuje się przez stosowanie stabilizacji napięcia układami, które nazywają się stabilizatorami.

Jak można krótko wyjaśnić na czym polega mechanizm stabilizacji? Otóż dzięki twórcom teorii sprzężenia zwrotnego (w 1928 roku Harold S. Black próbował opatentować zasady ujemnego sprzężenia zwrotnego) oraz dzięki dalszemu rozwojowi tej jakże użytecznej techniki, możliwa jest obecnie realizacja stabilizatorów o bardzo dobrych parametrach. W stabilizatorach stosowane są właśnie obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego, w których następuje porównanie wyjściowego napięcia stabilizowanego z wzorcowym źródłem napięcia (o bardzo dużej stałości), w wyniku porównania wypracowany zostaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom. I tak jeżeli z jakichś powodów napięcie na wyjściu stabilizatora miałoby się zmienić to sygnał uzyskany z obwodu sprzężenia zwrotnego będzie przeciwdziałać tym zmianom.

Rodzaje stabilizatory.

Stabilizatory można najogólniej podzielić na:

stabilizatory liniowe (linear regulators) lub inaczej stabilizatory o regulacji ciągłej,

stabilizatory impulsowe

- zmniejszające wartość napięcia (step-down)

- zwiększające wartość napięcia (step-up).

Oczywiście to nie wyczerpuje wszystkich możliwości gdyż pozostaje jeszcze podział na stabilizatory regulowane, stałe, dodatnie, ujemne itd.

Parametry stabilizatorów.

Do najważniejszych parametrów stabilizatory, na które trzeba zwracać szczególną uwagę należy zaliczyć:

nominalna wartość napięcia wyjściowego Uwy i jego tolerancja

maksymalny prąd wyjściowy Iwy

maksymalny prąd zwarcia Izw

zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego Uwemin do Uwemax

minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem, a wejściem potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego (dropout voltage - niektóre określenia angielskie są naprawdę bardziej zwięzłe)

współczynnik stabilizacji napięciowej (line regulation) Su=DUwy/DUwe (im mniejsza jego wartość tym lepiej)

współczynnik stabilizacji prądowej lub jak kto woli obciążeniowej (load regulation)

rezystancja wyjściowa Rwy=DUwy/DIwy

sprawność energetyczna h=(Uwy· Iwy)/(Uwe· Iwe)

Stabilizatory liniowe

Układy parametryczne

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku 11.1.

Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi.

Rysunek 11.2

doskonale ilustruje właściwości układu z rysunku 11.1 jako stbilizatora. Jak działa dioda zenera możesz zobaczyć w dziale Diody. Z rys.11.2 widać że zmiany napięcia wejściowego DUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody DID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego DUwy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera UZ.

Małe zmiany napięcia wyjściowego można wytłumaczyć jeszcze inaczej. Układ z rysunku 11.1 można potraktować jako dzielnik napięcia składający się z rezystancji R i rezystancji diody RD (układ ten rozpatrujemy jako nie obciążony rezystancją RL). Rezystancja RD określana jest jako rezystancja przyrostowa gdyż zależy od DUwy i DID i można ją przedstawić wzorem

RD=DUwy/DID

Rozpatrują więc ten układ jako dzielnik napięcia można powiedzieć, że znikomy przyrost napięcia wyjściowego DUwy jest wynikiem podziału przyrostu napięcia wejściowego DUwe w stosunku wyznaczonym przez rezystancje R i RD, co można przedstawić wzorem

DUwy=DUwe· (RD/(R + RD))

Przekształcając ten wzór można wyliczyć współczynnik stabilizacji napięcia oznaczony symbolem Su

Su=DUwy/DUwe=RD/(R + RD)

Z przedstawionego wyżej wzoru widać, że aby uzyskać dobrą stabilizację, a więc mały współczynnik Su, to rezystancja R powinna być znacznie większa w stosunku do RD. Dla większości diod Zenera wartość rezystancji RD wynosi od kilku do kilkudziesięciu W i do tego jeszcze zależy od prądu płynącego przez tą diodę czyli ID. Zwiększając rezystancję R poprawi się współczynnik stabilizacji ale jednocześnie zmniejszeniu ulegnie wartość prądu wyjściowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie układu z rysunku 11.1 jako stabilizatora. Układy takie mają więc zastosowanie jako źródła napięcia referencyjnego.

Lepszym rozwiazaniem układu z rysunku 11.1 jest jego modyfikacja przedstawiona na rysunku 11.3.

Jest to układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe

Uwy=UZ- UBE

Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy IB, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy Iwy jest duży i można go przedstawić wzorem (patrz dział Tranzystory - bipolarne)

Iwy=IB· (b + 1)

Układ z rysunku 11.3 jak widać jest trochę lepszym układem niż ten z rys. 11.1, lecz jego zastosowanie ogranicza się również do prostych i nie wymagających układów.

Układy ze sprzężeniem zwrotnym

Na rysunku 11.4

przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówne w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków:

elementu regulacyjnego

wzmacniacza błędu

źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego)

układu próbkującego

Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające.

Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Jak to się dzieje? Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Ukłądem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Napięcie na wejściu wzmacniacza błędu wynosi więc

UR3=g · Uwy

gdzie

g=R3/(R2 + R3)

Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie wzorcowe Uref (lub jak kto woli referencyjne czy też odniesienia). Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora "chce" z jakichś powodów zwiększyć się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie UCE zmniejsza się). Tak właśnie działa ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne zastosowane w układach stabilizatorów liniowych (ze sprzężeniem zwrotnym oczywiście).

Patrząc na schemat blokowy można ułożyć równanie, które będzie podstawą do projektowania (obliczania) elementów składowych stabilizatora działającego zgodnie z powyższym opisem. Aby to równanie ułożyć należy przyjąć, że wzmacniacz błędu posiada wzmocnienie równe

-ku (znak minus wynika z ujemnego sprzężenia zwrotnego). Wystarczy teraz porównać napięcie otrzymane na wyjściu wzmacniacza błędu, pomniejszone o napięcie UBE tranzystora regulacyjnego z napięciem wyjściowym, aby otrzymać następujące równanie

-ku· (g · Uwy- Uref) - UBE=Uwy

Z tego równania na drodze przekształceń matematycznych można wyliczyć napięcie wyjściowe

Uwy=(ku· Uref- UBE)/(1 + g · ku)

jeżeli założyć, że wzmacniacz błędu ma wzmocnienie o dużej wartości i podzielimy licznik i mianownik powyższego wzoru przez ku to otrzyma się wzór przybliżony opisujący napięcie wyjściowe stabilizatora

Uwy=Uref· (1 + R2/R3)

Otrzymane równanie pokazuje, że napięcie wyjściowe stabilizatora Uwy musi osiągać taką wartość aby napięcie na rezystorze R3 miało wartość równą napięciu referencyjnemu Uref

UR3=g · Uwy=Uref

wtedy napięcie wyjściowe jest stałe i nie zmienia się i to jest to o co chodzi w stabilizatorze.

---