Činnosť elektronických zariadení je
podmienená dodávaním elektrickej energie vo forme jednosmerného napätia
a prúdu. Energiu získavame zo striedavej siete pomocou sieťových napájacích
zdrojov.
Tr - sieťový transformátor, Usm - usmerňvač, F - fitrer, Sr - stabilizátor
napätia alebo prúdu, R - zaťažovací odporník
Základnou časťou sieťového napájacieho
zdroja je usmerňovač, ktorý premieňa striedavé napätie na jednosmerné
napätie. Skladá sa z jednej alebo niekoľkých diód, zapojených vhodným
spôsobom, na ktoré je pripojená zátaž.
Bez ohľadu na druh záťaže môžeme usmerňovače rozdeliť podľa počtu
usmerňovacích ciest, ktorými prechádza prúd na:
- jednocestné
- dvojcestné (v silnoprúdovej elektrotechnike tiež viaccestné)
Veľkosť usmerneného napätia závisí od
spôsobu zapojenia usmerňovača, od veľkosti usmerňovaného napätia a
odoberaného prúdu, od hodnôt použitých súčiastok a vnútorného
odporu celého zapojenia. Vnútorný odpor sa spravidla určuje pre jednu
usmerňovaciu cestu a nazýva sa odpor fázy usmerňovača. Tvorí ho vnútorný
odpor diódy a vnútorný odpor sieťového transformátora, ktorý sa skladá
z odporu sekundárneho vinutia a z odporu primárneho vinutia,
pretransformovaného na sekundárnu stranu transformátora.
Jednocestný usmerňovač s odporovou zátažou.
Ako usmerňovací prvok je použitá dióda
D, ktorá dovoľuje prechod prúdu do záťaže iba vtedy, ak má na anóde
vyššie napätie ako na katóde. Pulzujúci prúd vytvára na zátaži
pulzujúce napätie. Ak je medzi bodmi a a b maximálna hodnota napätia U2max,
je maximálny prúd IFmax daný vzťahom IFmax = U2max
/ (Rz + Rf). Pri nekonečne
veľkom zaťažovacom odpore (usmerňovač naprázdno) sa maximálna hodnota
pulzujúceho usmerneného napätia rovná maximálnej hodnote napätia na
sekundárnom vinutí transformátora U2. Ak záťažou prechádza
prúd Io, je stredná hodnota usmerneného napätia daná vzťahom
U0 = U2max / p - Rf
. Io,
ktorý je rovnicou zaťažovacej charakteristiky jednocestného usmerňovača
s odporovou záťažou. Má priamkový priebeh.
Pri činnosti usmerňovača sa dióda namáha v priamom smere pulzujúcim prúdom
IF. V spätnom smere sa dióda namáha napätím UR,
ktoré dosiahne maximálnu hodnotu v okamihu, ked je na katóde nulové napätie
(dióda je uzavretá) a na anóde je maximálne záporné napätie .
Dvojcestný usmerňovač s odporovou zát'ažou.
Mostíkové zapojenie.
Pri kladnej polvlne napätia v bode a sa otvórí dióda D1. Prúd iF
prechádza diódou z bodu a do bodu d, zátažou Rz do bodu c a
diódou D2 do bodu b, ktorý je spojený s dolnou svorkou vinutia transformátora.
V druhej polovici periódy pôsobí kladná polvlna napätia v bode b, prúd
iF prechádza diódou D3 a záťažou do bodu c, diódou D4, do
bodu a, ktorý je spojený s hornou svorkou sekundárneho vinutia transformátora.
Pretože záťažou prechádza prúd pri obidvoch polvlnách rovnakým
smerom, vzniká na nej pulzujúce napätie, ktorého frekvencia je dvojnásobkom
frekvencie siete.
Ak je na sekundárnom vinutí transformátora maximálna hodnota napätia U2max,
platí pre maximálnu hodnotu usmerneného prúdu rovnaký vzťah, ako pri
jednocestnom usmerňovači. Pretože však v mostíkovom zapojení pracujú
súčasne vždy dve diódy zapojené v sérii, treba na výpočet odporú fázy
Rf použif rovnicu Rf = 2 . RT + Rs
/p2.Vzhľadom na dvojnásobnú
frekvenciu prúdových impulzov v porovnaní s jednocestným zapojením je
stredná hodnota usmerneného prúdu Io dvojnásobkom strednej
hodnoty usmerneného prúdu pri jednocestnom usmerňovači.
Keďže celkový jednosmerný prúd Io odoberaný záťažou sa
rovnomerne rozdelí na obidve usmerňovacie cesty, stredná hodnota prúdu,
ktorý prechádza jednotlivými diódami bude IFav = 1/2 Io. Maximálna hodnota usmerneného napätia naprázdno je rovnako veľká
ako pri jednocestnom zapojení a rovná sa maximálnemu napätiu na sekundárnom
vinutí sieťového transformátora.
Zapojenie usmerňovača so súmerným sekundárnym vinutím sieťového
transformátora.
Sekundárne vinutie transformátora je rozdelené na dve rovnaké časti,
takže na ňom vznikajú dve rovnako veľké sekundárne napätia U2
a U2', ktoré sú navzájom fázovo posunuté o 180°. Stred
vinutia b sa zvyčajne uzemňuje. Pri kladnej polvlne napätia U2
v bode a prechádza diódou D prúd iF. Súčasne je uzavretá dióda
D'. V druhej polovici periódy však pôsobí kladné napätie v bode a',
takže dióda D' je otvorená a prechádza ňou prúd iF. Pretože
v bode a je teraz záporné napätie, je dióda D uzavretá. Diódy D a D'
sa teda striedajú v činnosti, obvodom prechádza pulzujúci prúd, ktorý
vytvára na záťaži zodpovedajúce pulzujúce napätie Uo.
Frekvencia prúdu je opäť dvojnásobkom frekvencie siete. Usmernené napätie
i prúd sú rovnako veľké ako pri mostíkovom zapojení usmerňovača.
Pretože však prúd prechádza počas každej polovice periódy len jednou
diódou, je odpor fázy Rf daný odporom transformátora
(pretransformovaný odpor primárneho vinutia plus odpor polovice sekundárneho
vinutia) a vnútorným odporom jednej diódy. Prúdové zaťaženie diód je
rovnaké ako pri mostíkovom zapojení. Pôsobiace záverné napätie UR
je však v porovnaní s mostíkovým zapojením dvojnásobné. Tomu musí
zodpovedať aj dimenzovanie diód.
Filter zaraďujeme medzi usmerňovač a napájané
obvody vtedy, ak je činitel zvlnenia priamo na výstupe usmerňovača príliš
veľký, takže zdroj nemožno na daný účel použiť. . Požiadavky na činiteľ zvlnenia podľa druhu napájaného zariadenia:
Výkonové stupne nf zosilňovačov v jednočinnom
zapojení - 0,05 až 0,5 .
Anódy obrazoviek, dvojčinné zosilňovače
- 0,5 až 2,0.
Účinok filtra posudzujeme podľa veľkosti činiteľa vyhladenia, ktorý
udáva, koľkokrát daný filter zmenšuje amplitúdu prvej harmonickej
zvlnenia (alebo aj činiteIa zvlnenia, ak úbytok jednosmerného napätia na
filtre nie je veľký). Ak je filter viacstupňový, výsledný činiteľ
vyhladenia sa rovná súčinu činiteIov vyhladenia jednotlivých stupňov.
Najčastejšie sa používajú základné druhy filtrov, a to RC a LC
filtre. Vzhľadom na úbytok jednosmerného napätia, ktorý vzniká na
odporníku R, sú RC filtre vhodné len pre malé prúdy. Pre veľké prúdy
sa s výhodou používajú LC filtre.
Na napájacie zdroje pre elektronické
zariadenia kladieme veľmi často prísne požiadavky nielen pokiaľ ide o
minimálnu veľkosť zvlnenia jednosmerného napätia, ale aj z dôvodov udržania
jeho konštantnej hodnoty na záťaži pri kolísaní napätia zdroja
(siete, batérie a pod.), alebo pri zmenách zaťažovacieho prúdu.
Zariadenia s obvodmi, ktoré automaticky vyrovnávajú vznikajúce napäťové
zmeny na záťaži, sa nazývajú stabilizátory napätia.
V podstate existujú dva druhy stabilizátorov:
- parametrické
- so spätnou väzbou.
Základnými veličinami stabilizátora napätia
sú činiteľ stabilizácie K, ktorý udáva, koľkokrát stabilizátor zmenšuje
pomerné kolísanie napätia a vnútorný odpor stabilizátora RTst. Parametrické stabilizátory napätia. Parametrické stabilizátory využívajú na stabilizáciu napätia
vhodný priebeh voltampérovej charakteristiky niektorých elektronických súčiastok
(polovodičových diód, tlejiviek a pod.). Používajú sa na stabilizáciu
jednosmerných napätí pri zaťažovacích prúdoch maximálne niekoľko
desiatok miliampérov. Na stabilizáciu napätí niekoľko desiatok voltov
sa používajú zapojenia s tlejivkou, pre napätia rádovo jednotky až
desiatky voltov sú vhodné Zenerove a lavínové diódy. Na stabilizáciu
nižších napätí, pre ktoré už nemožno použif Zenerove diódy sa využíva
priebeh voltampérovej charakteristiky priechodu PN v priamom smere. Používajú
sa bežné polovodičové súčiastky, napr. usmerňovacie diódy alebo
priechod báza-emitor tranzistorov. Schéma parametrického stabilizátora a priebeh činnosti stabilizátora
so Zenerovou diódou:
Činnosť parametrických stabilizátorov
napätia môžeme sledovat na obrázku. Paralelne k stabilizačnej dióde D
je pripojerrý zaťažovací odporník Rz. Stabilizátor je napájaný
zo zdroja napätia U1, cez sériový odporník Rs,
ktorý je pri grafickom vyjadrení znázornený priamkou vychádzajúcou z
bodu U1, na osi napätia. Priesečník tejto priamky s voltampérovou
charakteristikou stabilizačnej diódy určuje pracovný bod P. Pre správnu
činnosť stabilizátora treba zabezpečiť, aby zaťažovací prúd I2
bol niekoľkokrát (2-krát až 5-krát) menší ako prúd Iz
prechádzajúci stabilizačnou diódou. Ak je táto podmienka splnená, má
odpor odporníka Rz a jeho zmeny len nepatrný vplyv na činnosť
stabilizátora.
Ak sa zmení napätie U1 na hodnotu U1', posunie sa
pracovný bod z polohy P do polohy P'. Priemet zmeny polohy pracovného bodu
na os napätia určuje zmenu výstupného napätia U2, ktorá je
tým menšia, čím menší je vnútorný odpor stabilizačnej diódy rT
a čím väčší je odpor sériového odporníka Rs.
Pre všetky uvedené zapojenia parametrických stabilizátorov možno činiteľ
stabilizácie vypočítať zo vzťahu:
K = (Rs / rT + 1) . U2 / U1, a
jeho hodnota je asi 10.
Nevýhodou opísaných druhov stabilizátorov je to, že majú pomerne veľký
vnútorný odpor, malý činiteľ stabilizácie a velmi malú energetickú
účinnosť, pretože sériový odporník Rs musí mať pre dobrú
stabilizáciu veľký odpor (stráca sa na ňom asi polovica vstupného napätia,
ktoré sa volí asi 1,5 Uz) a prúd diódy Iz je niekoľkokrát
väčší, ako užitočný prúd Iz prechádzajúci záťažou.
Stabilizátory so spätnou väzbou.
Stabilizátory so spätnou väzbou majú
regulačnú súčiastku (zvyčajne tranzistor), ktorá je ovládaná odchýlkou
výstupného napätia stabilizátora od referenčného napätia. Činiteľ
stabilizácie je väčší ako pri parametrických stabilizátoroch (100 -
1000).
Bloková schéma a zapojenie stabilizátora
so spätnou väzbou:
b) obvody pre záporné napätia: 79xx -
komplementárna ku 78xx
c) obvody pre symetrické napätia: napr.
MC14681
2. S nastaviteľným výstupným napätím:
LM 317T - 1,5A
LM 317M - 0,5A
LM 317L - 0,1A
Stabilizátory s malým úbytkom napätia.
Uplatňujú sa hlavne v batériovo napájaných
prístrojoch. Majú výhodu v potrebe menšieho vstupného napätia pre spoľahlivú
funkciu a nezanedbateľne menších strát na regulačnom prvku. Dôsledkom
toho sa zväčšuje účinnosť stabilizovaného zdroja a celková spoľahlivosť
zariadenia.
