POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Im. Ignacego Łukasiewicza

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

• Katedra Awioniki i Sterowania

• Laboratorium Podstaw Elektroniki

Układy zasilające.

• 1. Wstęp teoretyczny

Zasilacze są jednym z podstawowych elementów układów elektronicznych. Służą one do dopasowania energii elektrycznej niezbędnej do zasilania urządzeń. Ze względu na zasadę działania możemy podzielić je na:

• transformatorowe, w których elementem dopasowującym jest transformator,

• beztransformatorowe, które wykorzystują do dopasowania napięcia inne elementy elektroniczne.

Ze względu na jakość napięcia na wyjściu rozróżnia się zasilacze stabilizowane
i niestabilizowane.

1.1 Zasilacze transformatorowe

Podstawowym elementem zasilacza transformatorowego jest... transformator. Jego działanie polega na zmianie napięcia przemiennego (sinusoidalnie zmiennego) na stałe. Jego budowa to dwie cewki nawinięte na wspólnym rdzeniu (są to tzw. uzwojenia pierwotne i wtórne). Przepływu prądu w uzwojeniu pierwotnym wytwarza pole magnetyczne, które przez rdzeń indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym.

W ten sposób przed wykres napięcia przed I za transformatorem wygląda następująco.

Jedną z ważnych korzyści takiego sposobu zmiany napięcia jest zapewnienie przez transformator separacji galwanicznej. Polega ona na oddzieleniu elektrycznym dwóch obwodów. W tym wypadku energia przekazywana jest za pomocą pola magnetycznego. Zapewnienie takowej jest o tyle ważne, że w przypadku przepięcia po stronie pierwotnej istnieje cień szansy, że nie zostaną uszkodzone układy elektryczne po stronie wtórnej.

Kolejnym etapem jest w przypadku zasilaczy zamieniających z napięcia przemiennego na napięcie stałe jest skierowanie przepływu prądu tak by był on możliwy tylko w jednym kierunku. Zabieg taki nazywa się prostowaniem, a wykonać go można za pomocą prostownika półokresowego lub pełnookresowego.

Prostownik półokresowy jest niczym innym jak diodą wpiętą szeregowo
w obwód uzwojenia wtórnego.

W takim przypadku napięcie wyjściowe przyjmie postać jak na rysunku

Mimo prostoty rozwiązania posiada on jedną zasadniczą wadę. Jak wiadomo dioda ma niską rezystancję w kierunku przewodzenia i wysoką w kierunku zaporowym (w analogii hydraulicznej można ją sobie wyobrazić jako zawór jednokierunkowy). Energia połówki okresu, która będzie próbowała płynąć w kierunku zaporowym, będzie zatem tracona
i wydalana z układu w postaci ciepła.

Korzystniejszym z punktu widzenia energetycznego jest zastosowanie mostka Graetza. To urządzenie o tajemniczej nazwie jest niczym innym jak połączeniem czterech diod w następujący sposób.

Schematycznie pokazany przepływ prądu przez mostek wygląda następująco

Aby uzmysłowić sobie w jaki sposób płynie prąd w obwodzie śledzimy przepływ przez mostek. Dodatnia połówka okresu (czerwone strzałki), płynie przez diodę D2 następnie przez obciążenie, diodę D3 do źródła, którym jest transformator. Połówka ujemna (niebieskie strzałki), płynie przez diodę D4, następnie przez obciążenie, diodę D1 i wraca do źródła. Jak łatwo zauważyć prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku.

(Dla laików w temacie prąd może płynąć tylko w kierunku wskazywanym przez “dzióbek” diody, a nie może w kierunku od kreseczki). Ważne: Przy budowie mostka pamiętamy, że wszystkie diody skierowane są na schemacie w jedną stronę. (Rysujemy kwadrat pod kątem 45 stopni a potem diody jak Egipcjanie na hieroglifach).

Za mostkiem Graetza wykres napięcia wygląda jak wartość bezwzględna
z sinusa.

Napięcie już w przybliżeniu przypomina stałe, mimo że trochę pulsuje. Jednym ze sposobów zmniejszenia tętnienia jest zastosowanie kondensatora. Kondensator jest biernym elementem elektronicznym zbudowany z dwóch okładzin oddzielonych dielektrykiem. Głównym jego parametrem jest pojemność, czyli zdolność do gromadzenia ładunku. Po wpięciu kondensatora w obwód równolegle (jak na schemacie), będzie się on ładował w szczytowych wartościach poprzedniego przebiegu, a rozładowywał gdy przebieg schodzi do zera. Przebiegi przed i za kondensatorem obrazuje poniższy rysunek.

Taki układ nazywamy zasilaczem niestabilizowanym. Jeżeli chcemy uzyskać stałą wartość napięcia musimy rozbudować ten układ o stabilizator.

Ze względu na rodzaj stabilizatora rozróżnia się stabilizatory liniowe
i impulsowe (po ich podłączeniu zasilacz zamienia się odpowiednio w liniowy lub impulsowy). Schemat zasilacza stabilizowanego wygląda w następujący sposób.

Zasada działania stabilizatora liniowego polega na śledzeniu prądu na wejściu
i takim wysterowaniu elementu czynnego (może nim być tranzystor polowy, lub np. Lampa) by napięcie na wyjściu było stałe. Wyobrazić to sobie można w następujący sposób: Pan Henryk, realizator w studiu nagraniowym chce aby dźwięk nagrany przez zespół miał cały czas takie same natężenie. W momencie kiedy kapela gra za głośno, on odsuwa mikrofon lub przesuwa potencjometry poszczególnych instrumentów w konsolecie w dół, a kiedy jest ciszej przybliża mikrofon. Najpopularniejszymi w obecnej chwili układami zapewniającymi stabilizację liniową, są układy rodziny 78XX (dające napięcie dodatnie) i 79XX (zapewniające napięcie wyjściowe ujemne), gdzie XX oznacza napięcie wyjściowe np. 05 - 5V. Mimo wielu zalet tak zintegrowanych układów, posiadają one też pewne niedogodności w stosowaniu. Ponieważ prąd na wejściu i na wyjściu układu jest taki sam, a zmniejsza się napięcie, to moc strat (różnica napięć wejściowego
i wyjściowego razy prąd) może sięgać kilku do kilkunastu watów. Powoduje to konieczność zastosowania radiatora w celu zapewnienia układowi poprawnej temperatury pracy. Ponadto stabilizatory serii 78XXi 79XX potrzebują zasilania o 2V wyższego niż możliwe do uzyskania napięcie na wyjściu. W wypadku urządzeń zasilanych bateryjnie uniemożliwia to uzyskanie np. napięcie 5V na wyjściu z czterech baterii paluszków 4*1,5V=6V. W takich wypadkach można zastosować stabilizatory LDO (Low Drop Output), które mają niski spadek napięcia na wyjściu. Sprawność stabilizatorów liniowych to ok. 30-40%
w normalnych warunkach pracy.

Stabilizator impulsowy opiera się na innej zasadzie działania. Podczas śledzenia napięcia na wejściu nie rozprasza on nadmiaru dostarczonej mocy w postaci ciepła jak stabilizator liniowy. W celu stabilizacji napięcia załącza lub wyłącza tranzystor kluczujący, w ten sposób, że generowana jest fala PWM (patrz laboratorium sterowanie silnikami elektrycznymi). W przypadku gdy napięcie na wejściu jest za wysokie, fala będzie miała niskie wypełnienie, natomiast gdy napięcie będzie niewiele wyższe od napięcia żądanego fala będzie miała wypełnienie bliskie 100%. Dzięki takiemu rozwiązaniu sprawność zasilaczy impulsowych sięga od 75-98%. Praktycznym skutkiem tego jest mała moc rozpraszana w postaci ciepła, a tym samym brak konieczności stosowania radiatora. W samolocie ma to praktyczny skutek w postaci mniejszej wagi.

Zasilacze impulsowe stosowane są najczęściej do zasilania układów mikroprocesorowych (ładowarki do komórek, komputery itp.) Ich wadą jest niestety generowany szum. Kiedy użyjemy takiego zasilacza do aplikacji audio (np. efektu gitarowego) szum dostaje się do toru audio i słyszymy nieprzyjemne buczenie w głośnikach. Dlatego w aplikacjach gdzie liczy się niskie szumienie układów stosujemy zasilacze liniowe.

• 2. Wykonanie zadania

Zadanie polega na sprawności stabilizatorów liniowego i impulsowego. Pomiarze mocy na wejściu i na wyjściu. W pierwszej kolejności tworzymy obwód prądowy podłączając do zasilacza niestabilizowanego stabilizator liniowy (ten z radiatorem)
i amperomierze oraz opornicę, następnie wpinamy w obwód woltomierze. Sposób podłączenia przedstawiony jest na schemacie.

UWAGA Przed podłączeniem zasilania należy zgłosić prowadzącemu gotowość do przeprowadzenia pomiarów (celu sprawdzenia poprawności połączeń).

Po włączeniu zasilania mierzymy prąd i napięcie na wejściu oraz na wyjściu. Następnie wyłączamy zasilanie zmieniamy ustawienie woltomierza służącego do pomiaru napięcia wyjściowego i odczytujemy rezystancję opornicy. Dane zapisujemy w tabeli

Lp.	Uwe [V]	Iwe [A]	Uwy [V]	Iwy [A]	R [Ω]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

Po przeprowadzeniu pomiarów należy wyłączyć zasilanie, zamienić stabilizator na impulsowy i powtórzyć zadanie.

W następnej kolejności należy dla poszczególnych punktów pomiarowych obliczyć:

• moc wejściową Pwe=Uwe*Iwe

• moc wyjściową Pwy=Uwy*Iwy

• sprawność η=(Pwy/Pwe)*100%

• 3. Wykonanie sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać :

1. Tytuł,

2. Nazwiska osób wykonujących,

3. Wstęp teoretyczny,

4. Cel i przebieg ćwiczenia,

5. Tabele pomiarowe,

6. Obliczenia,

7. Wykresy dla zasilacza liniowego:

- napięcia wejściowego od rezystancji

- prądu wejściowego od rezystancji

- mocy wejściowej od rezystancji

- napięcia wyjściowego od rezystancji

- prądu wyjściowego od rezystancji

- mocy wyjściowej od rezystancji

- sprawności w funkcji rezystancji

8. Wykresy dla zasilacza impulsowego:

- napięcia wejściowego od rezystancji

- prądu wejściowego od rezystancji

- mocy wejściowej od rezystancji

- napięcia wyjściowego od rezystancji

- prądu wyjściowego od rezystancji

- mocy wyjściowej od rezystancji

- sprawności w funkcji rezystancji

9. Wnioski (Który sprawniejszy, który do czego, gdzie jest wydalana moc strat gdy sprawność jest mała).

---