4. MATERIA NAUCZANIA 4.1 Budowa, rodzaje i parametry zasilaczy 4.1.1 Materia nauczania Zasilaczem sieciowym prdu staego (lub krótko zasilaczem) nazywamy urzdzenie, które przetwarza energi elektryczn prdu przemiennego (sieci energetycznej) w energi prdu staego o danej wartoci napicia lub prdu, przeznaczone zwykle do zasilania urzdze elektronicznych. Wyróniamy dwa rodzaje zasilaczy: zasilacze napicia staego charakteryzujce si sta wartoci napicia wyjciowego i prdem obcienia zalenym od poboru mocy (rezystancji obcienia), zasilacze prdu staego dostarczajce do obcienia stay prd o zadanej wartoci przy napiciu wyjciowym zmieniajcym si w zalenoci od obcienia (rzadko stosowane). Elektroniczne zasilacze sieciowe mog by budowane jako odrbne jednostki (m. in. zasilacze uniwersalne) lub wspólnie z ukadami zasilanymi (m. in. zasilacze specjalizowane). Zasilacze uniwersalne charakteryzuj si: ustalonym lub regulowanym napiciem wyjciowym, cile okrelonym dopuszczalnym obcieniem, cile okrelonym zakresem temperatury pracy, maj znormalizowane parametry takie jak: moc, napicie wejciowe i wyjciowe, rozmiary. Zasilacze specjalizowane konstruowane s z myl o uzyskaniu ukadu najlepiej dopasowanego do zasilania danego urzdzenia. Zasilacze sieciowe skadaj si z kilku podstawowych elementów i ukadów: transformatora, którego zadaniem jest odpowiednie dopasowanie napi zasilajcych i odizolowanie galwaniczne obwodów zasilanych od sieci energetycznej, ukadu prostowniczego sucego do przeksztacania prdu przemiennego w prd jednokierunkowy, filtru wygadzajcego, który tumi ttnienia (skadow zmienn) napicia na wyjciu ukadu prostowniczego, stabilizatora, czyli ukadu sucego do wytwarzania na wyjciu okrelonej wartoci napicia lub prdu niezalenie od zmian wielkoci wejciowej oraz obcienia, elementów i ukadów zabezpieczajcych, które chroni zasilacz przed uszkodzeniami (wskutek wydzielenia si w nim zbyt duej mocy, chwilowych przepi lub niewielkich przecie). Jeeli w skad zasilacza wchodzi stabilizator, zasilacz taki jest zasilaczem stabilizowanym. Ze wzgldu na zasad dziaania stabilizatora zasilacze takie dzieli si na dwie gówne grupy: zasilacze ze stabilizatorem o dziaaniu cigym nazywane zasilaczami stabilizowanymi lub liniowymi, zasilacze ze stabilizatorem o dziaaniu impulsowym nazywane zasilaczami impulsowymi. Zasilacze ze stabilizatorem o dziaaniu cigym zapewniaj lepsz stabilizacj napicia wyjciowego, mniejsze ttnienia i ma impedancj wyjciow w porównaniu do zasilaczy impulsowych. Napicie przemienne z sieci energetycznej jest przetwarzane w sposób cigy w kolejnych ukadach zasilacza w napicie stae dostarczane do odbiornika. Na rys.1. przedstawiono schemat blokowy zasilacza o dziaaniu cigym oraz przebiegi napi w poszczególnych punktach ukadu obrazujce dziaanie zasilacza. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 7
a) b) Rys. 1. Zasilacz ze stabilizatorem o dziaaniu cigym: a) schemat blokowy, b) przebiegi napi w poszczególnych punktach ukadu. [6, s. 201] Wad zasilaczy ze stabilizatorem o dziaaniu cigym jest maa sprawno (rzdu 30 40 %), podczas gdy zasilacze ze stabilizatorem o dziaaniu impulsowym osigaj sprawno duo wiksz (rzdu 70 90%). W zasilaczu impulsowym napicie sieciowe po wyprostowaniu zostaje przeksztacone w napicie impulsowo zmienne o duej czstotliwoci (rzdu khz) i ponownie prostowane przed doprowadzeniem do odbiornika, przy czym w trakcie tego przeksztacenia jest ono filtrowane i stabilizowane. Schemat blokowy zasilacza impulsowego przedstawiono na rys.2. Przebiegi napi w poszczególnych punktach ukadu ilustruj jego dziaanie. a) b) Rys. 2. Zasilacz ze stabilizatorem o dziaaniu impulsowym: a) schemat blokowy, b) przebiegi napi w poszczególnych punktach ukadu. [6, s. 201] Wad zasilaczy impulsowych jest dugi czas reakcji na wszelkie zmiany wielkoci wymuszajcych oraz generowanie zakóce elektromagnetycznych. Dla uytkownika urzdze elektronicznych wane mog by nastpujce parametry uytkowe zasilaczy: warto skuteczna i czstotliwo napicia zasilajcego (sieciowego) np. 230V/50Hz, warto rednia (skadowa staa) napicia wyjciowego, maksymalny prd obcienia lub maksymalna moc jaka moe wydzieli si w zasilaczu, wspóczynnik ttnie (lub warto napicia ttnie na wyjciu), czyli stosunek amplitudy harmonicznej podstawowej napicia na wyjciu do wartoci skadowej staej napicia na wyjciu, wspóczynnik stabilizacji napicia, Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 8
impedancja wyjciowa (modu impedancji wyjciowej) mona obliczy na podstawie pomiarów w ukadzie poprawnie mierzonego prdu z wzoru: U O U OR Z WY [ ] IOR U OR warto napicia na obcieniu, I OR warto prdu pyncego przez obcienie, U O warto napicia na zaciskach nieobcionego zasilacza. sprawno, czyli stosunek mocy oddawanej do obcienia do mocy pobieranej z sieci, warunki eksploatacji (zwaszcza zakres temperatury pracy), charakterystyka obcieniowa. Rys. 3. Charakterystyka obcieniowa: (1) w zakresie stabilizacji (I O I OMAX ), (2) w przypadku przecienia bez ograniczenia prdowego, (3) w przypadku przecienia ze staym ograniczeniem prdowym, (4) w przypadku przecienia z progresywnym ograniczeniem prdowym [6, s. 200] Badanie parametrów zasilaczy jest proste i sprowadza si do pomiarów prdów i napi oraz obserwacji przebiegów w niektórych punktach ukadu. Napicie ttnie mona oszacowa z obserwacji przebiegów na ekranie oscyloskopu lub te korzystajc z woltomierza elektronicznego napicia zmiennego (dokadniejsze pomiary przeprowadza si za pomoc miliwoltomierza selektywnego). Podczas pomiarów naley pamita, e wikszo woltomierzy napicia zmiennego mierzy warto skuteczn, przy czym ich wskazania s poprawne w przypadku, gdy napicie to ma przebieg sinusoidalny. Awaria zasilania kojarzy si powszechnie z przerw w dostawie energii elektrycznej i to na tyle dugotrwa, e mona j zaobserwowa bez uycia sprztu pomiarowego. W praktyce w sieci energetycznej wystpuje o wiele wicej zjawisk, czsto duo groniejszych ni dugotrway zanik napicia. Nie doceniamy tego zagroenia, poniewa nie pojawia si ono na co dzie. Czsto zastanawiamy si, dlaczego komputer przesta reagowa. Nie kojarzymy tego faktu z zakóceniami sieciowymi, które przedostay si do komputera i spowodoway modyfikacj drobnego fragmentu pamici, na tyle jednak istotnego, e system si zawiesza. Dlatego dla odrónienia tych zjawisk od potocznego pojcia awarii zasilania, przyjy one nazw zdarze energetycznych. Wyróniamy wród nich: Zaniki napicia sieciowego czyli przerwy w dostawie energii elektrycznej (mog by krótko- lub dugotrwae). Mog spowodowa restart systemu operacyjnego komputera lub jego wyczenie, a co za tym idzie utrat nie zapisanych danych. Spadki napicia sieciowego czyli znaczne obnienie napicia w sieci w stosunku do wartoci znamionowej (230V). Moe to spowodowa niestabiln prac zasilacza komputera, a w konsekwencji restart systemu operacyjnego, utrat nie zapisanych danych oraz powstanie bdów na twardym dysku. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 9
Przepicia czyli wzrost napicia sieciowego powyej wartoci znamionowej, który moe spowodowa uszkodzenie sprztu. Wyadowania atmosferyczne bezporednie uderzenie pioruna przejmuje na siebie zazwyczaj instalacja odgromowa budynku czy sieci energetycznej, ale tysice amperów przepywajce impulsowo w pobliu przewodów sieciowych indukuj w nich tak wysokie przepicia, e moe wystpi przeskok iskry wewntrz urzdze przyczonych do sieci. Zdarzeniom energetycznym mona przeciwdziaa stosujc odpowiednie zabezpieczenia. Podstawowym zabezpieczeniem jest ukad przeciwprzepiciowy. Stanowi on podstawowe wyposaenie wszystkich listew zasilajcych i zasilaczy UPS. Jego dziaanie powoduje niwelowanie skutków sabszych przepi, a w przypadku duych - przepalenie si bezpieczników w listwie lub te tymczasowe odczenie zasilanego urzdzenia od sieci. Kolejne zabezpieczenie stanowi filtr przeciwzakóceniowy. Eliminuje on w znacznym stopniu zakócenia wystpujce w sieci i powoduje wygadzenie ksztatu napicia sieciowego. Ostatecznym zabezpieczeniem jest zasilacz UPS. Jego typ oraz wielko powinny by dobrane odpowiednio do typu i wielkoci poboru mocy przez chronione urzdzenia. Rónorodno typów zasilaczy UPS wynika z rónorodnoci odbiorników energii, które s z nich zasilane. Parametry wyznaczajce granice pomidzy rónymi technologiami to koszt wyrobu, moc obcienia i jako napicia na wyjciu. Poniej przedstawiono charakterystyk najpopularniejszych typów zasilaczy UPS: Off line (z tzw. biern rezerw) najprostszy typ zasilaczy UPS. Posiada prost budow wewntrzn (przedstawiona na rys.4.). W normalnych warunkach napicie sieci po przepuszczeniu przez prosty pasywny filtr przeciwprzepiciowy podawane jest bezporednio na wyjcie. Jednoczenie wbudowany prostownik doadowuje akumulator. Zanik zasilania zewntrznego powoduje odczenie wejcia od sieci energetycznej (odczane s wszystkie trzy przewody, cznie z uziemieniem) i uruchomienie zasilanego z akumulatora falownika. Uruchomienie falownika wie si z chwilowym zanikiem napicia na wyjciu, jednak trwa to na tyle krótko, e nie stanowi problemu dla wikszoci urzdze komputerowych. Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza UPS typu off line Zalet zasilacza off line jest niska cena, jest to jednak okupione wieloma wadami. Podczas normalnej pracy ksztat napicia na wyjciu stanowi niemal odzwierciedlenie napicia sieci, za przy pracy z akumulatora przebieg jest bardzo daleki od sinusoidy - prosty falownik wytwarza przebieg prostoktny lub w najlepszym razie trapezowy. Line interactive - obecnie to najpopularniejszy z typów zasilaczy stosowany do ochrony sprztu domowego i biurowego. Jego budowa czciowo bazuje na technologii off-line (przedstawiona na rys. 5.). Jednak sterowanie zasilacza monitoruje nie tylko warto napicia sieci, ale te jego czstotliwo i faz. Wszystko po to, aby praca przetwornicy w momencie jej uruchomienia bya zsynchronizowana z sieci elektryczn. Dodatkowo przekanik jest przeczany dokadnie w momencie wystpienia zerowego napicia w sieci, Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 10
przez co nie wystpuje przeskok iskry. Przedua to ywotno styków przekanika i eliminuje cakowicie zakócenia radiowe pojawiajce si podczas iskrzenia. Czsto zasilacze typu line-interactive s wyposaone w ukad AVR. Dziaa on w momencie wykrycia przekroczenia przez napicie sieciowe granic wyznaczonych zaoon tolerancj. Powoduje podwyszenie lub obnienie napicia sieciowego za pomoc autotransformatora bez koniecznoci czerpania energii z akumulatora. Rys. 5. Schemat blokowy zasilacza UPS typu line interactive On line zasilacze te stosowane s wszdzie tam, gdzie wane jest nie tylko nieprzerwane zasilanie, ale te jego jako. Zasilacze te przetwarzaj energi w sposób cigy (ang. online), wytwarzajc na wyjciu napicie o bardzo dobrych parametrach wolne od zakóce, o staej czstotliwoci. W zwizku z tym wymagania stawiane wobec komponentów uytych do budowy takiego zasilacza s duo wysze ni w przypadku zasilaczy typu off-line, czy te line-interactive. Duo wysze s równie koszty takiego urzdzenia. Rys. 6. Schemat blokowy zasilacza typu on line Schemat blokowy (rys. 6.) przedstawia budow wewntrzn zasilacza typu on line o potrójnej konwersji. Oznacza to zastosowanie trzech ukadów przeksztacajcych napicie wewntrz zasilacza. Pierwszy, znajdujcy si na wejciu, przeksztaca napicie sieciowe zmienne na wysokie napicie stae. Dodatkowym zadaniem tego przetwornika jest zapewnienie liniowoci obcienia sieci energetycznej. Drugi to przetwornik napicia staego na stae (DC-DC). Jeeli jest obecne napicie sieciowe, dziaa on jak adowarka baterii akumulatorów, obniajc napicie z wyjcia pierwszego przetwornika. Jeeli nastpi zanik napicia sieciowego, przechodzi na prac podwyszajc napicie akumulatorów do poziomu niezbdnego dla prawidowej pracy trzeciego przetwornika. Trzeci ukad to przetwornica napicia staego na zmienne, która pracuje w sposób cigy (std nazwa ang. on-line). Dodatkowe funkcje zasilaczy UPS maej mocy: RST ukad zimnego startu umoliwiajcy uruchomienie zasilacza przy braku napicia w sieci zasilajcej. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 11
AVR (ang. automatic voltage regulation - automatyczna regulacja napicia) ukad stabilizacji napicia wyjciowego. Regulacja napicia wyjciowego realizowana jest z reguy skokowo przez podwyszenie lub obnienie napicia na wyjciu UPS odwrotnie do zmian napicia na wejciu zasilacza awaryjnego bez przechodzenia na prac awaryjn. AG ukad umoliwiajcy wspóprac zasilacza z agregatem prdotwórczym. Generowana przez agregat sinusoida jest czsto znieksztacona, posiada inny wspóczynnik szczytu ni przebieg sieciowy oraz niezbyt stabiln czstotliwo. Ukad AG zapewnia mniejsz czuo zasilacza awaryjnego na tego typu odstpstwa. Zasilacz UPS z ukadem AG zapewnia podtrzymanie zasilania w czasie, gdy na skutek awarii zasilania realizowane jest przeczenie na zasilanie z agregatu prdotwórczego. KF ukad umoliwiajcy zabezpieczenie zasilania urzdze biurowych innych ni komputery, np.: kas fiskalnych, centralek telefonicznych, telefaksów itp. Mowa tu o urzdzeniach, które toleruj przebieg quasi-sinusoidalny, ale z ograniczonym wspóczynnikiem szczytu. Ukad KF umoliwia obnienie maksymalnej wartoci przebiegu quasi-sinusoidalnego przy zachowaniu wartoci skutecznej. COM ukad zcza szeregowego do monitorowania pracy UPS przez komputer. Zcze szeregowe moe by zrealizowane w standardzie RS232. Korzystna jest galwaniczna separacja sygnaów elektrycznych w takim zczu np. przy pomocy transoptorów. Coraz czciej do komunikacji komputera z zasilaczem awaryjnym wykorzystywane jest zcze USB. TEL filtr linii telefonicznej do zabezpieczania urzdze telekomunikacyjnych przed przepiciami w sieci telefonicznej. CPM ukad cigego pomiaru mocy pobieranej przez zabezpieczane urzdzenia. Zasilacz awaryjny moe by wyposaony w ukad pomiaru mocy, który dziaa w stanie pracy awaryjnej jak równie przy poprawnej sieci zasilajcej informujc uytkownika o przekroczeniu dopuszczalnego obcienia wyjcia UPS. Przy pomocy odpowiedniego oprogramowania mona oceni poziom obcienia wnoszony przez zabezpieczany sprzt. GWA gorca wymiana akumulatorów przez uytkownika. Ukad GWA powinien posiada jednoznaczn sygnalizacj zuycia akumulatorów, moliwo wymiany bez wyczania zasilacza oraz brak moliwoci bdnego podczenia akumulatorów. SOW sekwencyjne odczanie wyj. Ukad umoliwiajcy programowe odczanie wyj zasilacza awaryjnego w celu maksymalnego wyduenia czasu pracy urzdze podczonych do wybranych wyj UPS podczas awarii zasilania. ZR zbiornik rezerwowy ukad uniemoliwiajcy zaczenie napicia na wyjciach zasilacza awaryjnego przed naadowaniem akumulatorów do zadanego poziomu. KCP kalibracja czasu podtrzymania. Ukad taki umoliwia oszacowanie czasu podtrzymania zasilania podczas awarii sieci zasilajcej przy znanym obcieniu na wyjciu UPS. Szacowanie tego czasu nastpuje w procesie cyklicznych testów prowadzonych przez uytkownika lub uruchamianych automatycznie przez UPS. AS automatyczny start zasilacza po podczeniu do sieci zasilajcej. Woenie wtyczki zasilajcej od UPS do gniazda zasilajcego powoduje zaczenie napicia na wyjciu UPS, uruchomienie ukadu adowania akumulatorów, oraz ukadu cigego pomiaru mocy. W przypadku awarii zasilania zasilacz przechodzi na prac z akumulatorów pod warunkiem wystpowania obcienia na wyjciu UPS. W przypadku braku obcienia nastpuje wyczenie zasilacza. Ukad moe by wyposaony w regulator poziomu mocy minimalnej, przy którym UPS nie podtrzymuje zasilania. Dla uytkowników zasilaczy awaryjnych wane s ich parametry uytkowe takie jak : U skmin minimalne napicie skuteczne na wyjciu zasilacza awaryjnego, U skmax maksymalne napicie skuteczne na wyjciu zasilacza awaryjnego, U sk zmiany napicia skutecznego na wyjciu zasilacza awaryjnego podczas testu, U max maksymalne napicie szczytowe na wyjciu zasilacza awaryjnego, U akulb napicie na akumulatorach, przy którym nastpuje sygnalizacja akumulator bliski rozadowania, U akuend napicie akumulatorów, przy którym nastpuje wyczenie zasilacza awaryjnego, Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 12
t max cakowity czas pracy awaryjnej przy okrelonym obcieniu (zawiera równie t LB ), t LB czas sygnalizacji akumulator bliski rozadowania. W celu sprawdzenia wartoci parametrów uytkowych zasilacza naley testy wykona w symulowanych warunkach zaniku zasilania. Powinny one by poprzedzone 24 godzinnym adowaniem akumulatorów. Testy wykonuje si z obcieniem rezystancyjnym (arówkowym) wyjcia UPS i z obcieniem komputerowym. Aby okreli wydajno adowania akumulatorów UPS naley przeprowadzi testy z tym samym obcieniem po trzech godzinach adowania akumulatorów. Oprócz testów parametrów podstawowych mona dodatkowo: obserwowa ksztat napicia wyjciowego podczas pracy awaryjnej z uwzgldnieniem: symetrii przebiegu napicia wyjciowego wzgldem zera (obcienie arówk 15W), poziomu przepi (obcienie arówk 15W), szczytowej wartoci napicia wyjciowego przy braku obcienia i w peni naadowanych akumulatorach, mierzy czas przeczania przy przejciu na prac awaryjn (obcienie arówk 15W), przy powrocie z pracy awaryjnej na zasilanie z sieci energetycznej (obcienie arówk 15W), obserwowa reakcj zasilacza UPS na obcienie (zachowanie zasilacza podczas przecienia w czasie pracy awaryjnej i sieciowej, zachowanie zasilacza podczas zwarcia wyjcia na pracy awaryjnej, reakcja zasilacza na zdjcie obcienia podczas pracy awaryjnej). 4.1.2 Pytania sprawdzajce Odpowiadajc na pytania, sprawdzisz, czy jeste przygotowany do wykonania wicze. 1. Czy potrafisz rozpozna gówne bloki funkcjonalne zasilaczy? 2. Czy potrafisz wymieni gówne bloki funkcjonalne zasilaczy? 3. Czy potrafisz wymieni funkcje podstawowych bloków zasilacza? 4. Czy potrafisz wymieni parametry zasilaczy? 5. Czy potrafisz zmierzy podstawowe parametry zasilaczy? 6. Czy potrafisz wymieni podstawowe parametry uytkowe zasilaczy UPS? 7. Czy potrafisz zmierzy podstawowe parametry uytkowe zasilaczy UPS? 4.1.3 wiczenia wiczenie 1 Na schemacie ideowym lub eksponacie zasilacza przedstawionym Ci przez nauczyciela rozpoznaj gówne elementy budowy i nazwij je. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie z jakich gównych elementów skada si zasilacz, 2) na schemacie ideowym lub eksponacie zasilacza wskaza rozpoznane elementy, nazwa je, 3) zaprezentowa rozwizanie koledze, 4) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 5) na wykonanie wiczenia masz 15 minut. Wyposaenie stanowiska pracy: katalogi, eksponaty i schematy ideowe rónych zasilaczy. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 13
wiczenie 2 Zmierz wartoci parametrów zasilacza wskazanego przez nauczyciela (praca w zespole 3 4 osobowym). Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie definicje podstawowych parametrów zasilaczy, 2) zapozna si z dokumentacj badanego zasilacza, 3) zaplanowa pomiary, narysowa schematy pomiarowe i zaproponowa tabele, w których bd zapisywane wyniki pomiarów, 4) skompletowa aparatur potrzebn do przeprowadzenia niezbdnych pomiarów, 5) przy doborze mierników zwraca uwag na zakresy pomiarowe, 6) dokona pomiaru parametrów zasilacza: warto rednia (skadowa staa) napicia wyjciowego, wspóczynnik ttnie (lub warto napicia ttnie na wyjciu), wspóczynnik stabilizacji napicia, impedancja wyjciowa, wykreli charakterystyk obcieniow, 7) porówna otrzymane wyniki z parametrami zasilacza zawartymi w jego dokumentacji technicznej, 8) zaprezentowa wyniki i sformuowa wnioski, 9) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 10) na wykonanie wiczenia masz 90 minut. Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy: zasilacz wraz z dokumentacj techniczn, biay papier formatu A3 dla kadego zespou, przyrzdy pomiarowe (oscyloskop z sondami pomiarowymi, amperomierz, woltomierz). wiczenie 3 Zaplanuj czynnoci kontrolujce prac zasilacza UPS. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie definicje podstawowych parametrów zasilaczy UPS, 2) zapozna si z dokumentacj badanego zasilacza, 3) zaplanowa pomiary, konieczne do sprawdzenia czy zasilacz UPS, do którego podczony jest zestaw komputerowy, pracuje prawidowo oraz czy zachowane s jego gówne parametry uytkowe, narysowa schematy pomiarowe i zaproponowa tabele, w których bd zapisywane wyniki pomiarów, 4) zaprezentowa plan pracy koledze, 5) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 6) na wykonanie wiczenia masz 30 minut. Wyposaenie stanowiska pracy: dokumentacja techniczna zasilacza UPS, biay papier formatu A3 dla kadego zespou. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 14
wiczenie 4 Sprawd czy zasilacz UPS, do którego podczony jest zestaw komputerowy, pracuje prawidowo oraz czy zachowane s jego gówne parametry uytkowe. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przygotowa plan czynnoci opracowany w wiczeniu 3, 2) zapozna si z dokumentacj badanego zasilacza, 3) skompletowa aparatur potrzebn do przeprowadzenia niezbdnych pomiarów, 4) przy doborze mierników zwraca uwag na zakresy pomiarowe, 5) dokona pomiaru parametrów zasilacza, 6) porówna otrzymane wyniki z parametrami zasilacza zawartymi w jego dokumentacji technicznej, 7) zaprezentowa wyniki i sformuowa wnioski, 8) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia. 9) na wykonanie wiczenia masz 45 minut. Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy: zasilacz UPS wraz z dokumentacj techniczn, zestaw komputerowy, plan czynnoci ze schematami pomiarowymi, przyrzdy pomiarowe (oscyloskop z sondami pomiarowymi, amperomierz, woltomierz). 4.1.4 Sprawdzian postpów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wymieni rodzaje zasilaczy? 2) wymieni gówne bloki funkcjonalne zasilaczy? 3) wymieni funkcje podstawowych bloków zasilacza? 4) omówi zasad dziaania zasilacza ze stabilizatorem o dziaaniu cigym? 5) omówi zasad dziaania zasilacza ze stabilizatorem o dziaaniu impulsowym? 6) porówna zasilacze ze stabilizatorami o dziaaniu cigym z zasilaczami impulsowymi? 7) wymieni parametry zasilaczy? 8) poda przykad wartoci parametrów zasilaczy? 9) zmierzy podstawowe parametry zasilaczy? 10) okreli wpyw jaki maj zakócenia sieci energetycznej na dziaanie urzdze elektronicznych? 11) wymieni rodzaje zasilaczy UPS? 12) omówi budow zasilaczy UPS? 13) wyjani zasad dziaania zasilaczy UPS? 14) wymieni parametry uytkowe zasilaczy UPS? 15) zmierzy podstawowe parametry uytkowe zasilaczy UPS? Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 15
4.2 Ukady prostownicze. Filtracja napi 4.2.1 Materia nauczania Ukad prostowniczy suy do przeksztacania prdu przemiennego (dwukierunkowego) w prd jednokierunkowy, zwany prdem wyprostowanym. Sercem ukadów prostowniczych s elementy prostownicze. Musz one spenia wymaganie asymetrii rezystancji, tzn. zalenie od biegunowoci doprowadzonego napicia powinny mie rezystancj ma dla kierunku przewodzenia oraz du dla kierunku zaporowego. Elementem prostowniczym w ukadach prostowniczych maej mocy s najczciej diody póprzewodnikowe, natomiast w ukadach prostowniczych duej mocy (wielofazowych) tyrystory. Waciwoci ukadu prostowniczego zale od rodzaju i liczby elementów prostowniczych, sposobu zasilania, konfiguracji elementów oraz charakteru obcienia. Zajmiemy si ukadami prostowniczymi maej mocy, czyli tymi zawierajcymi diody prostownicze, zasilanymi napiciem jednofazowym, poniewa takie ukady stosuje si w obwodach zasilaczy. Najprostszy ukad prostowniczy zawiera tylko jedn diod póprzewodnikow. Przedstawiony on zosta na rys.7. W dodatniej poówce napicia zasilajcego U Z (rys.8.a) dioda D jest w stanie przewodzenia, w obwodzie pynie prd I R (rys.8.c) powodujcy, e na rezystorze R L odkada si napicie (rys.8.d) U R =U Z U D. (U D to spadek napicia na przewodzcej diodzie). W ujemnej poówce napicia zasilajcego dioda D jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, prd w obwodzie nie pynie, a cae napicie zasilania odkada si na diodzie (rys.8.b). Poniewa prd obcienia pynie tylko w czasie jednej poowy okresu, to prostownik taki nazywa si jednopoówkowym lub póokresowym. Charakteryzuje si on ma sprawnoci napiciow oraz nisk wartoci redni napicia wyjciowego (wyprostowanego) 0,45 U Z. Na wyjciu prostownika wystpuj due ttnienia. Tak wic pomimo, i ukad jest prosty i tani w realizacji, moe by stosowany tylko tam, gdzie s mae obcienia i gdzie nie zaley nam na maych ttnieniach napicia wyjciowego. Rys. 7. Ukad prostowniczy jednopoówkowy [6, s. 203] a) b) c) d) Rys. 8. Przebiegi prdów i napi w ukadzie prostownika jednopoówkowego z diod póprzewodnikow idealn i obcieniem rezystancyjnym: a) napicie zasilajce, b) napicie na diodzie, c) prd obcienia, d) napicie na obcieniu [6, s. 203] Aby zniwelowa wymienione wyej wady mona zastosowa poczenie dwóch prostowników jednopoówkowych w taki sposób, e w czasie dodatniej poówki napicia zasilajcego bdzie przewodzia dioda D, a w czasie ujemnej dioda D. W ten sposób powstaje prostownik dwupoówkowy z dzielonym uzwojeniem wtórnym. Ukad takiego prostownika zosta przedstawiony na rys.9. Nazwa tego prostownika wskazuje na jego cech charakterystyczn Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 16
rodkowy odczep uzwojenia transformatora (lub punkt poczenia dwóch identycznych uzwoje) jest doczony do masy ukadu. Rys. 9. Prostownik dwupoówkowy z dzielonym uzwojeniem wtórnym. [6, s. 203] Zasada dziaania prostownika z dzielonym uzwojeniem wtórnym zostaa zilustrowana na rys. 10. W dodatniej poówce napicia zasilajcego U Z (rys.10.a) dioda D jest w stanie przewodzenia, natomiast dioda D w stanie zatkania. W obwodzie diody D pynie prd I D (rys.10.c) powodujcy, e na rezystorze R L odkada si napicie (rys. 10.d) U R. Przez diod D nie pynie prd, natomiast na diodzie tej odkada si napicie dwukrotnie wiksze ni w przypadku ukadu prostownika jednopoówkowego (rys.10.b). W ujemnej poówce napicia zasilajcego sytuacja si odwraca. Dioda D jest w stanie przewodzenia, natomiast dioda D w stanie zatkania. W obwodzie diody D pynie prd I D (rys.10.c) powodujcy, e na rezystorze R L odkada si napicie (rys.10.d) U R. Przez diod D nie pynie prd, natomiast na diodzie tej odkada si napicie dwukrotnie wiksze ni w przypadku ukadu prostownika jednopoówkowego (rys.10.b). a) b) c) d) Rys. 10. Przebiegi prdów i napi w ukadzie prostownika dwupoówkowego z dzielonym uzwojeniem wtórnym (z diodami póprzewodnikowymi idealnymi i obcieniem rezystancyjnym): a) napicie zasilajce, b) napicie na diodzie, c) prd obcienia, d) napicie na obcieniu [6, s.203] Sprawno tego ukadu w porównaniu z prostownikiem jednopoówkowym jest dwukrotnie wiksza, natomiast strata napicia wyjciowego spowodowana spadkiem napicia na diodach jest taka, jak dla ukadu jednopoówkowego. Trzeba pamita o tym, e na diodzie spolaryzowanej w kierunku zaporowym odkada si dwukrotnie wiksze napicie ni amplituda napicia prostowanego. Wad ukadu jest to, e zamiast jednego uzwojenia wtórnego potrzebne s dwa uzwojenia o tych samych napiciach wyjciowych. Rozwizanie tego problemu jest ukad mostkowy, skadajcy si z czterech diod prostowniczych, zwany mostkiem Graetza (rys.11.). Wprawdzie w ukadzie z dzielonym uzwojeniem uzwojenia te mog by o mocy dwa razy mniejszej ni dla ukadu mostkowego, lecz bdzie to okupione dwukrotnym zwikszeniem rezystancji wewntrznej transformatora, a co za tym idzie wikszymi stratami napicia na transformatorze. Przy maych napiciach wyjciowych, dla których spadki napicia na diodzie s znacznymi, lepiej jest stosowa ukad z dzielonym uzwojeniem wtórnym, natomiast dla duych napi wyjciowych korzystniejszy jest ukad mostkowy. Prostownik dwupoówkowy z mostkiem Graetza zawiera cztery diody poczone w taki sposób, e zawsze dwie z nich przewodz, dostarczajc prd do obcienia. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 17
Rys. 11. Prostownik dwupoówkowy z mostkiem Graetza [6, s. 203] W dodatniej poówce napicia zasilajcego U Z (rys.12.a) przewodz diody D 1 i D 3, przez obcienie pynie prd I R (rys.12.c) powodujcy, e na rezystorze R L odkada si napicie (rys.12.d) U R. Diody D 2 i D 4 nie przewodz, odkada si na nich napicie odpowiadajce wartoci napicia zasilajcego (rys.12.b). W dodatniej poówce napicia zasilajcego przewodz diody D 2 i D 4, natomiast diody D 1 i D 3 s spolaryzowane w kierunku zaporowym. Mostki Graetza s produkowane w postaci ukadów scalonych np. RB152 100VAC 1.5A a) b) c) d) Rys. 12. Przebiegi prdów i napi w ukadzie prostownika dwupoówkowego z mostkiem Graetza (z diodami póprzewodnikowymi idealnymi i obcieniem rezystancyjnym): a) napicie zasilajce, b) napicie na diodzie, c) prd obcienia, d) napicie na obcieniu. [6, s. 203] Aby oceni poznane ukady prostownicze trzeba je porówna pod wzgldem charakterystycznych parametrów. Podstawowymi parametrami ukadów prostowniczych s: U M napicie wyprostowane (warto rednia) U O [V], napicie wsteczne na pojedynczej diodzie (warto maksymalna), sprawno napiciowa iloraz wartoci redniej napicia wyprostowanego i wartoci maksymalnej napicia zasilajcego, czstotliwo podstawowa ttnie, wspóczynnik ttnie t iloraz wartoci skutecznej skadowej zmiennej i wartoci skadowej staej napicia wyprostowanego, U F kt przepywu prdu - 2arccos [rad], U M (U M amplituda napicia zasilajcego, U F spadek napicia na przewodzcej diodzie) Z porównania parametrów ukadów prostowniczych zamieszczonych w tabeli 1. wynika, e najkorzystniej jest stosowa ukady prostownicze dwupoówkowe. Mimo, i skadaj si one z wikszej liczby elementów to maj lepsze parametry elektryczne (wiksza warto napicia wyprostowanego, wiksza sprawno, wiksza czstotliwo podstawowa ttnie). Pod wzgldem napicia wstecznego na pojedynczej diodzie najgorzej wypada w tym porównaniu prostownik z dzielonym uzwojeniem. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 18
Tabela 1. Porównanie parametrów podstawowych ukadów prostowniczych [6, s. 204] Parametr Prostownik jednopoówkowy Prostownik dwupoówkowy z dzielonym uzwojeniem wtórnym Prostownik dwupoówkowy z mostkiem Graetza Ilo diod 1 2 4 Napicie zasilajce (warto skuteczna) U U Napicie wyprostowane (warto rednia) Napicie wsteczne na pojedynczej diodzie (warto maksymalna) Sprawno napiciowa Czstotliwo podstawowa ttnie (okrelona czstotliwoci napicia zasilajcego f) U (napicie na poowie uzwojenia) 0,45U 0,9U 0,9U 2 U 2 2U 2 U 0,318 0,637 0,637 f 2f 2f Wspóczynnik ttnie 1,21 0,48 0,48 Zmniejszenie ttnie ukadów prostowniczych mona uzyska doczajc do wyjcia ukadu prostowniczego filtr dolnoprzepustowy, zwany filtrem wygadzajcym. Na rys.13. przedstawiono schematy filtrów wygadzajcych: - pojemnociowego najprostszy, jak równie najczciej stosowany w ukadach zasilaczy; wyrónia si on du skutecznoci tumienia ttnie, tym wiksz im wiksza pojemno C; - indukcyjny stosowany w ukadach dwupoówkowych wielofazowych duej mocy; jego skuteczno wzrasta, gdy rezystancja obcienia maleje. - LC (typu L oraz typu ) stosowane w zasilaczach impulsowych pracujcych przy czstotliwoci 20 300kHz ze wzgldu na rozmiary cewki (przy wyszych czstotliwociach moe by mniejsza), - RC czsto stosowane w zasilaczach maej mocy, chocia warto napicia wyjciowego zaley od prdu obcienia. a) b) c) d) e) Rys. 13. Schematy filtrów wygadzajcych: a) pojemnociowego, b) indukcyjnego, c) LC typu L, d) LC typu, e) RC typu. [6, s. 205] Wad filtrów z wejciem pojemnociowym jest to, e po wczeniu zasilacza do sieci prd adowania kondensatora jest bardzo duy. Naley wic pamita o starannym doborze elementów prostownika, wymaga to stosowania diod o kilkakrotnym zapasie dopuszczalnego prdu przewodzenia. Mona równie wczy szeregowo w obwód prostownika rezystor o wzgldnie maej wartoci rezystancji. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 19
4.2.2 Pytania sprawdzajce Odpowiadajc na pytania, sprawdzisz, czy jeste przygotowany do wykonania wicze. 1. Czy potrafisz porówna poznane ukady prostownicze? 2. Czy potrafisz narysowa schematy poznanych ukadów prostowniczych? 3. Czy potrafisz wyjani zasady dziaania poznanych prostowników? 4. Czy potrafisz wymieni parametry ukadów prostowniczych? 5. Czy potrafisz zdefiniowa parametry ukadów prostowniczych? 6. Czy potrafisz zmierzy oraz obliczy parametry ukadów prostowniczych? 7. Czy potrafisz narysowa przebiegi w poszczególnych punktach ukadów prostowniczych? 8. Czy potrafisz wyjani, jak wpywa ukad filtracji napi na ksztat napicia wyprostowanego? 4.2.3 wiczenia wiczenie 1 Rozpoznaj, w których punktach dostarczonego Ci przez nauczyciela schematu ideowego prostownika zostay wykonane poszczególne oscylogramy. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie zasady dziaania poznanych ukadów prostowniczych, 2) rozpozna, w których punktach dostarczonego Ci przez nauczyciela schematu ideowego prostownika zostay wykonane poszczególne oscylogramy, 3) oznaczy te punkty na schemacie ideowym odpowiednimi literami, 4) zaprezentowa rozwizanie koledze uzasadniajc swój wybór, 5) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 6) na wykonanie wiczenia masz 15 minut. Wyposaenie stanowiska pracy: oscylogramy przedstawiajce przebiegi napicia w rónych punktach ukadu prostowniczego, schemat ideowy ukadu prostowniczego, w którym badano ksztat przebiegów napicia. wiczenie 2 Oblicz warto wspóczynnika ttnie dla przebiegów wyjciowych napicia przedstawionych na oscylogramach dostarczonych Ci przez nauczyciela. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie definicje parametrów ukadów prostowniczych, 2) zapisa wzory, z których bdziesz korzysta, wypisa dane i szukane, 3) obliczy warto wspóczynnika ttnie dla przebiegów wyjciowych napicia przedstawionego na oscylogramach dostarczonych Ci przez nauczyciela, 4) rozpozna, w którym z poznanych ukadów prostowniczych ksztat napicia wyjciowego U O odpowiada temu z oscylogramów, 5) zaprezentowa rozwizanie koledze, Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 20
6) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 7) na wykonanie wiczenia masz 15 minut. Wyposaenie stanowiska pracy: oscylogramy przedstawiajce przebiegi napicia w rónych punktach ukadu prostowniczego, biay papier formatu A4 dla kadego zespou. wiczenie 3 Zmierz wartoci parametrów ukadu prostowniczego (praca w zespole 3 4 osobowym). Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) przypomnie sobie definicje podstawowych parametrów ukadów prostowniczych, 2) majc do dyspozycji cztery diody prostownicze, transformator, kondensatory i rezystory, poczy te elementy tak, aby powsta ukad prostowniczy, 3) zaplanowa prace zwizane z uruchomieniem i pomiarem parametrów zbudowanego ukadu prostowniczego, narysowa schematy pomiarowe i zaproponowa tabele, w których bd zapisywane wyniki pomiarów, 4) skompletowa aparatur potrzebn do przeprowadzenia niezbdnych pomiarów, 5) przy doborze mierników zwraca uwag na zakresy pomiarowe, 6) przeprowadzi niezbdne pomiary i testy w symulowanych warunkach obcienia, 7) na podstawie uzyskanych wyników pomiarów sformuowa wnioski dotyczce dziaania ukadu oraz okreli wartoci parametrów ukadu prostowniczego, 8) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia, 9) na wykonanie wiczenia masz 90 minut. Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy: makieta z transformatorem, czterema diodami prostowniczymi, kondensatorami, rezystorami, umoliwiajca dowolne poczenie tych elementów i przeprowadzenie pomiarów, przewody czeniowe, biay papier formatu A3 dla kadego zespou, przyrzdy pomiarowe (oscyloskop z sondami pomiarowymi, amperomierz, woltomierz). wiczenie 4 Zbadaj wpyw zastosowanego ukadu filtracji napi na ksztat napicia wyjciowego prostownika. Sposób wykonania wiczenia. Aby wykona wiczenie powiniene: 1) majc do dyspozycji makiet z ukadami prostowniczymi zbada, jak wpywa ukad filtracji napi na ksztat napicia wyjciowego prostownika, 2) skompletowa aparatur potrzebn do przeprowadzenia niezbdnych pomiarów, 3) przy doborze mierników zwraca uwag na zakresy pomiarowe, 4) przeprowadzi niezbdne pomiary, Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 21
5) na podstawie uzyskanych wyników pomiarów sformuowa wnioski dotyczce wpywu zastosowanego filtru na ksztat przebiegu wyprostowanego, 6) dokona oceny poprawnoci wykonanego wiczenia. Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy: tre zadania dla kadego zespou uczniów, makieta z ukadami prostowniczymi, kondensatory, cewki i rezystory o rónych wartociach, przyrzdy pomiarowe (oscyloskop z sondami pomiarowymi). biay papier formatu A3 dla kadego zespou. 4.2.4 Sprawdzian postpów Czy potrafisz : Tak Nie 1) porówna poznane ukady prostownicze? 2) wyjani do czego suy ukad prostowniczy? 3) wymieni cechy ukadu prostowniczego jednopoówkowego? 4) narysowa schemat prostownika jednopoówkowego? 5) wyjani zasad dziaania prostownika jednopoówkowego? 6) wymieni cechy ukadu prostowniczego dwupoówkowego z dzielonym uzwojeniem? 7) narysowa schemat prostownika dwupoówkowego z dzielonym uzwojeniem? 8) wyjani zasad dziaania prostownika dwupoówkowego z dzielonym uzwojeniem? 9) wymieni cechy ukadu prostowniczego dwupoówkowego z mostkiem Graetza? 10) narysowa schemat prostownika dwupoówkowego z mostkiem Graetza? 11) wyjani zasad dziaania prostownika dwupoówkowego z mostkiem Graetza? 12) wymieni parametry ukadów prostowniczych? 13) zdefiniowa parametry ukadów prostowniczych? 14) zmierzy parametry ukadów prostowniczych? 15) poda typowe warto parametrów ukadów prostowniczych? 16) wyjani po co stosuje si ukady filtrów doczane do wyjcia ukadów prostowniczych? 17) narysowa przykad ukadu filtru wygadzajcego? 18) porówna filtry C, L, LC i CR? 19) narysowa przebiegi w poszczególnych punktach ukadów prostowniczych? 20) okreli wpyw parametrów filtru na ksztat przebiegów wyprostowanych? Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 22
4.3 Stabilizatory 4.3.1 Materia nauczania Stabilizatory elektroniczne s to ukady suce do wytwarzania na wyjciu okrelonej wartoci napicia lub prdu niezalenej od zmian wielkoci wyjciowej oraz obcienia. Stabilizatory napicia i prdu staego uywane do zasilania urzdze elektronicznych. Ze wzgldu na zasad dziaania dzieli si w nastpujcy sposób: STABILIZATORY PARAMETRYCZNE KOMPENSACYJNE o dziaaniu cigym o dziaaniu impulsowym Rys. 14. Rodzaje stabilizatorów Stabilizatory parametryczne (stabilizatory bez sprzenia zwrotnego) utrzymuj sta warto wielkoci wyjciowej dziki zastosowaniu elementu stabilizacyjnego o charakterystyce prdowo napiciowej wykazujcej w pewnym zakresie stao przebiegu w funkcji napicia lub prdu. Powszechnie stosuje si diody stabilizacyjne (diody Zenera), rzadziej warystory i termistory. Na rys.15. przedstawiono ukad stabilizacyjny z diod Zenera. Jest to ukad dzielnika napiciowego zoonego z diody stabilizacyjnej D i rezystora szeregowego R. Zmiany spadku napicia na diodzie stabilizacyjnej s bardzo mae, poniewa punkt pracy znajduje si na charakterystyce w zakresie przebicia. W efekcie zmiana napicia wejciowego U I kompensowana jest zmian spadku napicia na rezystorze, gdy element regulacyjny (dioda Zenera) przewodzi odpowiednio wikszy lub mniejszy prd, utrzymujc sta warto napicia wyjciowego U O. Z drugiej strony zmiana obcienia R O, a wic prdu obcienia I O powoduje odpowiedni zmian prdu I D tak, e napicie stabilizowane U O nie ulega zmianie (rys.16.). Rys. 15. Stabilizator parametryczny z diod Zenera [6, s. 209] Rys. 16. Charakterystyka prdowo napiciowa stabilizatora parametrycznego z diod Zenera [6, s. 209] Zalet ukadu stabilizatora z diod Zenera jest jego prostota. atwo wic przeanalizowa jego zasad dziaania i dobra parametry elementów tak, by dostosowa ukad do zaoonych wymaga. Wykorzystujc model diody dla odcinkowo liniowej charakterystyki prdowo Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 23
napiciowej mona wyprowadzi wzory opisujce parametry stabilizatora (r z rezystancja dynamiczna diody): prd pyncy przez diod w zakresie stabilizacji Uo Uz I D [ma] r prd i napicie wyjciowe ukadu Uo Io [ma] Uo U I IOR I DR[V] Ro zaleno napicia wejciowego ukadu od oczekiwanego napicia wyjciowego R R R U I Uo(1 ) Uz [V] Ro r r wspóczynnik stabilizacji rezystancja wyjciowa stabilizatora minimalny i maksymalny prd diody I D min Z U I S 1 Uo r WY Z R rz R r Z R Ro [ ] R r 2 U Imin Uz U Z U Z PD max I O max[ma] I D max [ma] 2 R 2r 4r r (P Dmax maksymalna moc jaka moe si wydzieli w diodzie, nie powodujc jej uszkodzenia, U Z napicie Zenera) Taki stabilizator charakteryzuje si maym zakresem zmian prdu obcienia, niewielk sprawnoci energetyczn (rzdu 10%), ma dokadnoci stabilizacji oraz brakiem moliwoci regulacji stabilizowanego napicia. Wad tych pozbawione s stabilizatory kompensacyjne, zawierajce element regulacyjny. Jakakolwiek zmiana wielkoci wyjciowej jest kompensowana przez odpowiednie wysterowanie tego elementu. Dziaanie ukadu kompensacyjnego stabilizatora napicia polega na porównywaniu stabilizowanego napicia wyjciowego z wzorcowym napiciem odniesienia i wysterowaniu rónic tych napi elementu regulacyjnego w taki sposób, by zmiana spadku napicia na nim przeciwdziaaa zmianom napicia stabilizowanego. Przykad stabilizatora kompensacyjnego o dziaaniu cigym zosta przedstawiony na rys.17. Elementem regulacyjnym w tym ukadzie jest tranzystor T 1. Na baz tego tranzystora podawany jest wynik porównania napicia odniesienia (napicie stabilizacyjne diody Zenera) z czci napicia wyjciowego (ustalona potencjometrem R P ). Jako stabilizacji zaley od wartoci wzmocnienia ukadu sterujcego (tranzystor T 2 ) im jest ono wiksze tym lepsza stabilizacja napicia wyjciowego przy zmianach napicia wejciowego i rezystancji obcienia. Z Z Z Z Z Rys. 17. Stabilizator kompensacyjny o dziaaniu cigym [6, s. 211] Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 24
Wad stabilizatorów o dziaaniu cigym jest maa sprawno (rzdu 30 50 %) spowodowana dzieleniem napicia wejciowego. O wiele lepsze wyniki uzyskuje si w stabilizatorach o dziaaniu impulsowym, naley jednak pamita o tym, e charakteryzuj si one dugim czasem reakcji na zmian wielkoci wymuszajcych oraz generuj zakócenia elektromagnetyczne. Przykad stabilizatora impulsowego przedstawiono na rys.18. Tranzystor T pracuje w tym ukadzie jako klucz nasycony cyklicznie docza na krótko cewk indukcyjn do róda niestabilizowanego napicia wejciowego. W czasie trwania kadego impulsu nasycajcego tranzystor, prd pyncy przez cewk narasta liniowo. W polu magnetycznym cewki gromadzi si energia, która w nastpnej fazie cyklu jest przekazywana do kondensatora filtrujcego, doczonego do wyjcia stabilizatora. Kondensator wygadza ttnienia napicia wyjciowego (dostarcza prd do obcienia w fazie uzupeniania energii cewki). Podobnie jak w przypadku stabilizatorów o regulacji cigej nastpuje porównanie wartoci napicia wyjciowego z napiciem odniesienia, lecz otrzymane w ten sposób napicie bdu koryguje warto napicia wyjciowego przez zmian czstotliwoci przeczania klucza lub zmian czasu trwania impulsu wczajcego klucz, a nie przez liniowe sterowanie przewodnoci tranzystora. Rys. 18. Stabilizator impulsowy [3, s. 380] Stabilizatory impulsowe maj niezwyke waciwoci decydujce o ich popularnoci. Poniewa element regulacyjny pracuje dwustanowo jest albo wczony albo nasycony traci si w nim bardzo mao mocy. Dlatego stabilizatory impulsowe charakteryzuj si du sprawnoci nawet wtedy, gdy rónica napi midzy wejciem a wyjciem ma du warto. Warto napicia wyjciowego stabilizatorów tego typu moe by wiksza ni warto napicia wejciowego. Za pomoc stabilizatora impulsowego mona równie bez trudu przetwarza napicie o jednej polaryzacji na napicie o przeciwnej polaryzacji. Dodatkowo moliwe jest zasilanie takiego stabilizatora bezporednio z wyjcia ukadu prostujcego napicie sieciowe, bez potrzeby stosowania transformatora sieciowego. W efekcie mona otrzyma zasilacz may, lekki i o duej sprawnoci. Te cechy decyduj o powszechnym stosowaniu zasilaczy impulsowych w sprzcie komputerowym. Waciwoci ukadów stabilizacji napicia s charakteryzowane za pomoc odpowiednich parametrów technicznych, sporód których do najwaniejszych zalicza si: Znamionowe napicie wyjciowe U ON warto wyjciowego napicia stabilizacji z okrelon tolerancj, w sytuacji gdy stabilizator pracuje w znamionowych warunkach pracy. Tolerancja napicia wyjciowego U ON maksymalna, dopuszczalna wzgldna zmiana wartoci napicia stabilizowanego wywoana przez czynniki wpywajce takie jak zmiany napicia wejciowego i prdu obcienia. Zakres zmian napicia wyjciowego jest to zakres stabilizowanego napicia wyjciowego, w którym obowizuj parametry katalogowe stabilizatora. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 25
Zakres zmian napicia wejciowego minimalna i maksymalna warto napicia wejciowego, zasilajcego stabilizator, w obrbie której producent zapewnia poprawn prac ukadu. Wspóczynnik stabilizacji od zmian napicia wejciowego (WSN, IR) wielko zmian napicia stabilizowanego U O wywoanych ustalonymi zmianami napicia wejciowego U I. Wspóczynnik stabilizacji od zmian obcienia (WOSN, LR) wzgldna zmiana napicia stabilizowanego wywoana ustalon zmian prdu obcienia. Wspóczynnik tumienia ttnie (WTT, RR) miara tumienia ttnie przez ukad stabilizatora poprzez wzajemne porównanie midzyszczytowych wartoci ttnie na wejciu i wyjciu. Napicie rónicowe midzy wejciem a wyjciem U OI = U O U I MIN minimalna rónica napicia midzy wejciem i wyjciem stabilizatora, przy której ukad jeszcze pracuje poprawnie. Temperaturowy zakres pracy dopuszczalny zakres temperatur pracy stabilizatora, zawarty midzy minimaln i maksymaln graniczn temperatur pracy. (zakres przemysowy to od 0C do 70C, militarny od - 55C do 125C). Wspóczynnik temperaturowy napicia wyjciowego (TWN, ATC) parametr umoliwiajcy okrelenie, o ile procent zmieni si napicie wyjciowe przy zmianie temperatury otoczenia o 1C, wyznaczony dla ustalonej zmiany tej temperatury. Nominalny prd wyjciowy I ON maksymalna warto prdu obcienia, przy którym zachowane s jeszcze podane parametry katalogowe przy zaoeniu, e stabilizator pracuje w znamionowych warunkach pracy. Maksymalny prd wyjciowy I OMAX prd, przy którym wcza si (o ile stabilizator taki posiada) ukad nadprdowego zabezpieczenia stabilizatora. Prd zwarciowy I OS warto prdu obcienia stabilizatora, w sytuacji gdy wyjcie jest zwarte do masy. Minimalny prd wyjciowy I OMIN minimalna warto prdu obcienia, przy którym zachowane s jeszcze podane parametry katalogowe przy zaoeniu, e stabilizator pracuje w znamionowych warunkach pracy. Prd spoczynkowy prd pobierany przez ukad nieobcionego stabilizatora. Maksymalna moc strat maksymalna moc, jaka moe si wydzieli w stabilizatorze (lub elemencie regulacyjnym) w trakcie dugotrwaej jego pracy w znamionowej temperaturze otoczenia (zwykle 25C), nie powodujc jego uszkodzenia. Sprawno energetyczna - - wzajemny stosunek mocy oddanej do obcienia i mocy dostarczonej do stabilizatora. Mona wyróni pewne cechy wspólne, charakterystyczne dla grupy stabilizatorów scalonych: napicie zasilajce ukad jest napiciem przeznaczonym do stabilizacji, wartoci napi stabilizowanych mog by zarówno dodatnie, jak i ujemne (z zakresu 2 do 40V), warto prdu obcienia zawiera si w granicach od kilkudziesiciu do kilkuset ma, a przy zastosowaniu zewntrznych tranzystorów mocy nawet do 10A, dobra sprawno przy minimalnej rónicy napicia midzy wejciem a wyjciem rzdu 2 3V, maa impedancja wyjciowa (rzdu 10 20 m), dobra stabilno staoprdowa w szerokim zakresie temperatur otoczenia. Scalone stabilizatory napicia wykonuje si jako: stabilizatory uniwersalne, o napiciu wyjciowym regulowanym za pomoc elementów zewntrznych (np. ukad A 723), Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 26
stabilizatory ogólnego przeznaczenia o napiciu wyjciowym ustalonym w procesie produkcji (np. A 7805), stabilizatory specjalne bdce ukadami o wysoko wyspecjalizowanych waciwociach, jak np. stabilizatory napi symetrycznych, napi o wartociach wyszych ni 40V, napi odniesienia o bardzo duej stabilnoci czasowej i temperaturowej, dokadnoci. Klasycznym scalonym stabilizatorem napicia staego jest ukad A723. Jest to ukad o wszechstronnych moliwociach, atwy w uyciu, o doskonaych parametrach elektrycznych. Rys. 19. Ukad A 723 pracujcy jako stabilizator napicia dodatniego od 2 do 7V [dokumentacja techniczna firmy Texas Instruments] W tabeli 2. przedstawiono zestaw typowych wartoci parametrów ukadu A723. Tabela 2. Typowe wartoci podstawowych parametrów stabilizatora A723 [dokumentacja techniczna firmy Texas Instruments] Parametr Jednostka Warto Zakres napicia U I [V] 9,5 40 Zakres napicia U O [V] 2 37 Minimalne : U O U I [V] 3 WSN (%U O ) [%] 0,1 WOSN (%U O ) [%] 0,03 Temperatura pracy [C] 0 70 TWN [%/C] 0,003 I OMAX [ma] 150 I SP [ma] 2,3 (prd spoczynkowy: I O =0, U O =30V) WTT [db] 74 U Z [V] 7,15 I ZW [ma] 65 (prd zwarcia: R S =10, U O =0V) Typowym przedstawicielem stabilizatorów ogólnego przeznaczenia s stabilizatory serii 7800 (produkowane m. in. przez firm Fairchild w dwóch seriach MC78xx i LM78xx, a take przez firm National Semiconductor - LM78xx). Dwie ostatnie cyfry w oznaczeniu stabilizatora to warto jego napicia wyjciowego, która moe by równa 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 lub 24V. Na rys.20 przedstawiono typowy ukad pracy stabilizatora z serii 7800. Kondensator doczony do zacisków wyjciowych stabilizatora poprawia jego parametry impulsowe oraz powoduje, e warto impedancji wyjciowej stabilizatora pozostaje równie maa dla duych czstotliwoci. Jeeli stabilizator jest umieszczony z dala od kondensatorów filtru prostownika, do jego zacisków wejciowych naley doczy kondensator o wartoci pojemnoci co najmniej 330nF. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 27
Do stabilizowania napi ujemnych przeznaczone s stabilizatory z rodziny 7900. Sposób ich uycia niczym si nie róni od przedstawionego (poza napiciem wejciowym, które musi by ujemne). Ukady z rodziny 7800 mog by obciane prdem do 1A i maj wbudowane w struktur ukady zabezpiecze: nadprdowe i przed uszkodzeniem cieplnym. Rys. 20. Ukad pracy stabilizatora z serii 7800 [dokumentacja techniczna firmy Fairchild] Tabela 3. Typowe wartoci podstawowych parametrów stabilizatorów serii 7800 [dokumentacja techniczna firmy Fairchild] Parametr 7805 7806 7810 7812 7815 7824 Zakres napicia U I [V] 720 821 12,525 14,527 17,530 2738 Napicie U O [V] 5 6 10 12 15 24 Min. : U O U I [V] 2 2 2 2 2 2 WSN [mv] 1,6 1,5 3 3 3 6 (I O =500mA) U I [V] 812 913 1325 1622 2026 3036 WOSN [mv] 4 3 4 5 4 5 I O [ma] 250750 250750 250750 250750 250750 250750 I SP [ma] 5 5 5,1 5,1 5,2 5,2 WTT [db] 73 75 71 71 70 67 R O [m] 15 19 17 18 19 28 I ZW [ma] 230 250 250 230 250 230 TWN [mv/k] - 0,8-0,8-1 -1-1 -1,5 Zakres temperatur [C] 0125 0125 0125 0125 0125 0125 W stabilizatorach stosuje si dwie grupy zabezpiecze: Zabezpieczenia nadnapiciowe czyli takie, które su do zabezpieczenia stabilizatora lub ukadu obciajcego przed pojawieniem si niepodanego napicia. Najprostszym i najczciej stosowanym zabezpieczeniem nadnapiciowym jest kondensator. Najczciej stosuje si kondensatory monolityczne o wartociach z zakresu 1nF do 1F wczane równolegle do wejcia i wyjcia stabilizatora. Innymi elementami zabezpiecze nadnapiciowych s diody wczane na wejciu i wyjciu stabilizatora oraz równolegle do elementów regulacyjnych. Podczas normalnej pracy stabilizatora diody te s spolaryzowane zaporowo. Zabezpieczaj stabilizator i ukad regulacyjny przed zniszczeniem wskutek odwrotnego wczenia wejciowego napicia niestabilizowanego lub przyczenia wyjcia do napicia o odwrotnej polaryzacji. Poniewa w wyniku uszkodzenia stabilizatora jego napicie wejciowe moe przedosta si na wyjcie i uszkodzi ukad zasilany czsto stosuje si tzw. zwieracze. Na rys. 21. przedstawiono oprócz pozostaych wymienionych zabezpiecze nadnapiciowych równie ukad zwieracza tyrystorowego, zoonego z diody Zenera DZ, rezystora R oraz tyrystora TY. Jeeli warto napicia wyjciowego bdzie Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 28