Kot Adam Kl. III TE ŹRÓDŁA PRĄDU. Zasilacz jest urządzeniem dostarczającym energii elektrycznej układowi elektronicznemu. Energia ta powinna mieć określone parametry, tzn. określone napięcie, moc i częstotliwość. Prąd pobierany przez układ elektroniczny ma zmienną wartość zależną od aktualnego poboru mocy. Najczęściej urządzenia elektroniczne wymagają prądu stałego stabilizowanym napięciu. Rys.1 Klasyfikacja elektronicznych urządzeń zasilających Do zmiany prądu przemiennego (AC- ang. Alternative Current) na prąd jednokierunkowy (DC- ang. Direct Current) służą prostowniki: diodowe ( o nieregularnym napięciu) lub tyrystorowe ( o regularnym napięciu). Zasilacze czerpią energie z sieci elektrycznej (np. 50 Hz /220 V) lub z baterii (akumulatorów lub ogniw galwanicznych) i przystosowują jej parametry do potrzeb zasilanego układu elektronicznego. Napięcie sieci energetycznej zgodnie z przepisami może się zmieniać w granicach od 10% do +5% napięcia normalnego. Napięcie baterii natomiast maleje w miarę oddawania przez nią energię. Z punktu widzenia potrzeb układów elektronicznych, zmiany napięcia zasilania są najważniejszą wadą wymienionych źródeł energii, ponieważ układy te pracują najlepiej przy stałym napięciu zasilającym- niezależnym od czasu i od pobieranego prądu. Wadę tę eliminuje się, wprowadzając do układu zasilacza stabilizator. Utrzymuje on stałą wartość napięcia zasilania niezależnie od wahań napięcia sieci lub napięcia baterii zasilającej.
Najprostszymi stabilizatorami są stabilizatory ciągłe. Ich zasada działania polega na obcinaniu nadwyżki napięcia wyjściowego, zatem sprawność stabilizatorów ciągłych jest niewielka, a napięcie wyjściowe (stabilizowane) jest mniejsze od najmniejszego napięcia wejściowego. Wad tych nie mają stabilizatory impulsowe, których sprawność może przekraczać 90%. Działanie stabilizatorów impulsowych polega na kluczowanym (impulsowym) doprowadzaniu energii do elementów reaktancyjnych: cewki, transformatora lub kondensatora (w pierwszej fazie kluczowania). W drugiej fazie kluczowania, element reaktancyjny przekazuje zmagazynowaną energię na wyjście stabilizatora impulsowego. Średnia wartość napięcia wyjściowego zależy od współczynnika wypełnienia impulsów kluczujących, wykorzystywanego jako czynnik regulacyjny. Elementami przełączającymi (kluczującymi) mogą być tranzystory lub tyrystory. Częstotliwość kluczowania wynosi od 50 Hz do 2 MHz- im jest ona wyższa, tym mniejsze są wymiary i masa zasilacza. Przetwornice służą do zmiany napięcia i częstotliwości zasilania. Działają one na zasadzie przerywania prądu lub napięcia doprowadzonego do cewki., transformatora lub kondensatora. Przetwornice tranzystorowe stosuje się w zakresie mocy do kilkunastu kilowatów, a przetwornice tyrystorowe w zakresie wyższych mocy (np. kilku megawatów). W technice dużych mocy stosuje się: przetwornice DC/AC, nazywane falownikami, i przekształtniki tyrystorowe AC/AC, zmieniające częstotliwość napięcia zasilającego (cyklokonwertery), używane np. do zasilania silników prądu zmiennego sterowanych częstotliwościowo. Falownik różni się od prostownika tym, że może przekazywać energię nie tylko od źródła do odbiornika (jak prostownik), ale i od odbiornika do źródła, gdy odbiornik (np. koło zamachowe, winda lub inne urządzenie napędzane silnikiem elektrycznym zasilanym przez falownik) zmagazynował za dużo energii. W przenośnych urządzeniach elektronicznych (telefonach komórkowych, komputerach, radioodbiornikach, odtwarzaczach CD itp.) źródłami energii są akumulatory lub ogniwa galwaniczne. Bardzo często baterie zasilające zwłaszcza małe urządzenia przenośne mają za niskie napięcie około 1 3 V, a zasilane układy elektroniczne potrzebują kilku napięć: nieco wyższych, o przeciwnej polaryzacji i stabilizowanych. W takich sytuacjach stosuje się przetwornice impulsowe DC/DC (prąd stały / prąd stały).przetwarzają one energię baterii o niskim napięciu w energię o wyższym stabilizowanym napięciu. Przetwornice takie mogą być indukcyjne lub pojemnościowe. Najogólniej rzecz ujmując, prąd czerpany z baterii przez przetwornicę, jest przerywany przez tranzystor (z częstotliwością od kilku do kilkuset kiloherców) i przetwarzany przez układ z cewką, transformatorem lub kondensatorem, a następnie prostowany i filtrowany. Do podwyższania napięcia w przetwornicach indukcyjnych
wykorzystuje się przepięcia powstające przy przerywaniu prądu w cewce. W przetwornicach transformatorowych natomiast, uzyskuje się to dzięki zastosowaniu podwyższającej przekładni transformatora. W urządzeniach, których prąd obciążenia dochodzi do kilkuset miliamperów stosuje się obecnie przetwornice pojemnościowe produkowane w postaci układów scalonych pod nazwą pomp ładunkowych (ang. Charge Pumps), które nie wymagają stosowania jakichkolwiek cewek. W najnowszych konstrukcjach pomp ładunkowych, nawet kondensatory biorące udział w przenoszeniu energii są zintegrowane z układami przełączającymi i stabilizującymi napięcie. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu bardzo wielkich częstotliwości przełączeń (rzędu setek megaherców), przy których pojemności kondensatorów mogą być małe. Najważniejszą sprawą przy konstruowaniu przetwornic jest uzyskanie jak największej sprawności. W tym celu element przełączający powinien powodować jak najmniejsze straty energii, a więc tranzystory przełączające powinny charakteryzować się małym napięciem przewodzenia i małymi stratami przełączania. Cewki lub transformatory stosowane w przetwornicach mają rdzenie ferrytowe, a kondensatory mały współczynnik strat (tg ä). Gabaryty przetwornic przy tej samej mocy zależą od częstotliwości przełączania są tym mniejsze, im wyższa jest ta częstotliwość. W stacjonarnych urządzeniach elektronicznych są stosowane zasilacze, które pobierają energię z sieci energetycznej prądu przemiennego o napięciu np. 220 V i częstotliwości 50 Hz. Zasilacze sieciowe przetwarzają energię prądu przemiennego w energię prądu stałego o takim napięciu, jakie jest potrzebne do zasilania układu elektronicznego. Niektóre układy elektroniczne potrzebują kilku napięć zasilania. Do zasilania układów tranzystorowych i układów scalonych wystarczają niskie napięcia o wartościach kilku lub kilkunastu woltów i stosunkowo niewielkiej mocy. Na przykład zasilacz współczesnego komputera (PC) wyposażonego w urządzenia multimedialne (urządzenia bardzo złożonego) jest zasilaczem sieciowym, ma moc ok. 200W i daje napięcia o wartościach: 5V, +12V i 12V. Zasilacze układów lampowych (np. w telewizorach, oscyloskopach lub kuchniach mikrofalowych) są urządzeniami wysokonapięciowymi. Do zasilania obwodów anodowych lamp elektronowych są potrzebne napięcia stałe o wartościach kilkudziesięciu lub kilkuset woltów w zależności od wielkości i rodzaju lamp (lampa oscyloskopowa, kineskop lub magnetofon). Zasilacze układów lampowych dostarczają również mocy potrzebnej do żarzenia lamp. Do uzyskania żarzenia wystarcza napięcie przemienne nie wyprostowane o wartości 4; 6,3 lub 12V (w zależności od typu lampy), pobierane bezpośrednio z transformatora sieciowego obniżającego napięcie. Włókna żarzenia lamp należy zabezpieczyć
przed przepaleniem w chwili włączenia układu do sieci, ponieważ w stanie zimnym mają one bardzo małą rezystancję nawet dziesięciokrotnie mniejszą niż w stanie gorącym. Elementem zabezpieczającym jest termistor NTC włączony szeregowo w obwód żarzenia. Rezystencja termistora zimnego jest duża, a gorącego mała. Dzięki temu ogranicza on prąd żarzenia lampy w chwili włączenia napięcia żarzenia, a wraz z nagrzewaniem się i nagrzewaniem lampy, kompensuje zwiększenie rezystancji włókna żarzenia przez zmniejszenie własnej rezystancji. W ten sposób prąd żarzenia jest bliski wartości znamionowej przez cały czas, począwszy od chwili włączenia napięcia żarzenia. Najprostszymi zasilaczami układów elektronicznych są zasilacze bateryjne. W miarę oddawania energii przez baterię, jej napięcie się zmniejsza, a rezystancja zewnętrzna zwiększa. Może to doprowadzić do przerwania pracy układów zasilanych. W celu przeciwdziałania takiej sytuacji stosuje się stabilizację napięcia zasilania połączoną z impulsowym przetwarzaniem energii baterii. Wyjścia zasilaczy muszą być zbocznikowane kondensatorami o dużej pojemności. Zmniejszają one rezystancje wewnętrzną zasilaczy dla prądu przemiennego, powodując tzw. odprzęganie zasilacza dla składowej zmiennej prądu obciążenia i. Kondensatory te zapobiegają wystąpieniu dodatniego sprzężenia zwrotnego na rezystancji wewnętrznej zasilacza przy wspólnym zasilaniu kilku stopni wzmacniacza oraz niepotrzebnym stratom mocy (na rezystancji wewnętrznej zasilacza) od składowej zmiennej i sygnałów kształtowanych w układzie zasilanym. Ze względu na istnienie stosunkowo dużej indukcyjności pasożytniczej kondensatorów elektrolitycznych C1, przy bocznikowaniu wejść zasilacza, łączy się je równolegle z kondensatorami bezindukcyjnymi C2 (np. styrofleksowymi) o pojemnościach 10 100 nf w celu zmniejszenia impedancji bloku dla sygnałów w.cz. Rys.2 Odprzęganie zasilacza dla składowej zmiennej prądu obciążenia i C2 kondensator o bardzo małej indukcyjności pasożytniczej, us napięcie wyjściowe zasilacza. Zasilacze sieciowe prądu stałego (AC/DC) są budowane według dwóch zasad: 1) z transformatorem sieciowym, 2) z transformatorem wielkiej częstotliwości (w.cz.).
W zasilaczu z transformatorem sieciowym największym i najcięższym urządzeniem jest transformator 1 (50 Hz) nawet przy kilkunastu watach mocy zasilacza. Przetwarza on energię sieci o napięciu znormalizowanym u w energię o napięciu u1. Jego rdzeń jest wykonany ze stali krzemowej lub analogicznego materiału magnetycznego m.cz. Napięcie przemienne u1 jest prostowane w prostowniku 2, a którego wyjście otrzymuje się napięcie tętniące u2 złożone z dwu składowych: składowej stałej U3, równej wartości średniej napięcia u2, i składowej zmiennej u2 U3, zwanej tętnieniami. Napięcie tętnień (u2 U3) ma dużą amplitudę U3. Ze względu na tętnienia, u2 nie nadaje się do zasilania układów elektronicznych. Wymaga ono wygładzenia, tj. odfiltrowania tętnień za pomocą filtru dolnoprzepustowego 3, który zatrzymuje składową zmienną (tętnienia), a przepuszcza składową stałą. Na wyjściu filtru otrzymuje się napięcie stałe u3 z niewielkimi tętnieniami. Wartość średnia U3 tego napięcia waha się w takt powolnych zmian napięcia sieci. Napięcie u3 zależy ponadto od prądu obciążenia zasilacza, ponieważ zasilacz jest nieidealnym źródłem napięcia. Na jego rezystancji wewnętrznej występuje spadek napięcia spowodowany wzrostem prądu obciążenia. Spadek ten obniża wartość napięcia u3. Napięcia u3 można użyć do zasilania układu elektronicznego, jeżeli nie jest on czuły na wahania napięcia zasilającego. W taki sposób są zasilane np. radioodbiorniki średniej klasy. W urządzeniach wyższej klasy, napięcie odfiltrowane należy poddać stabilizacji w układzie 4. Stabilizatory napięcia 4 mogą działać na zasadzie obcinania nadwyżki napięcia stałego lub na zasadzie przetwarzania impulsowego w.cz. Zasilacze z transformatorem sieciowym i stabilizatorem obcinającym nadwyżkę napięcia stałego mają małą sprawność, duże wymiary i stosunkowo dużą masę. Stosuje się je w urządzeniach raczej małej mocy.
Rys.3 Zasilacze sieciowe prądu stałego: a), b) z transformatorem sieciowym; c), d) z transformatorem w.cz. BADANIE ŹRÓDEŁ PRĄDU STAŁEGO Ogniwa elektrochemiczne i akumulatory mają zdolność magazynowania energii chemicznej, która może być z nich pobrana w postaci energii elektrycznej. Ilość zmagazynowanej w ogniwie lub akumulatorze energii jest określona wielkością zwaną pojemnością elektryczną Q. Pojemność elektryczna jest mierzona w amperogodzinach (A*h) i określa czas, w jakim można czerpać ze źródła określony prąd I Q = It Pobrane z ogniwa zmagazynowanej w nim energii powoduje bezpowrotne zużycie ogniwa. Natomiast akumulatory po wyładowaniu można z powrotem naładować, przepuszczając przez nie prąd
elektryczny. Procesy ładowania (dostarczania energii) i rozładowania (pobierania energii) dają się przy prawidłowej eksploatacji cyklicznie powtarzać, co sprawia, że akumulator może pracować przez dłuższy czas. Na schemat oznacza się skumulatory i ogniwa w postaci symbolu przedstawionego na rysunku. Rys.4 Schematyczne oznaczenia galwanicznego źródła napięcia. Rezystencja Rw rezystancja wewnętrzna, reprezentuje rezystancję elektrolitu, rezystancja elektrod i połączeń oraz oporu spowodowanego polaryzacją elektrod. Rezystencja wewnętrzna Rw ogniw i akumulatorów jest wielkością zmienną, zależną od takich czynników jak: temperatura, prąd obciążenia, stopnia rozładowania źródła. Wartość rezystancji wewnętrznej akumulatorów jest rzędu milionów, np. dla akumulatorów kwasowych 1...20 mω. Napięcie między rozwartymi zaciskami ogniw i akumulatorów nazywa się siłą elektromotoryczną. Siła elektromotoryczna zależy od rodzaju elektrod i elektrolitu, np. ogniwo Leclanchego zbudowane z płytki węglowej C otoczonej warstwą dwutlenku manganu MnO2 daje na elektrodach różnice potencjałów około 1,5 V, natomiast akumulator kwasowy o elektrodach ołowiowych Pb i PbO2 zanurzonych w wodnym roztworze kwasu siarkowego H2SO4 daje siłę elektromotoryczną równą około 2V. Układ kilku połączonych ogniw lub akumulatorów tworzy baterię. Połączenie równoległe (rys.5a) stosuje się w celu zwiększenia pojemności, natomiast połączenie szeregowe (rys.5b) w celu zwiększenia siły elektromotorycznej. Rys.5 Połączenie galwanicznych źródeł napięcia: a) równoległe; b) szeregowe Rys.6 Podstawowy obwód elektroniczny: źródło napięcia E obciążone rezystorem R.
Ogniwo obciążone rezystorem R tworzy obwód zamknięty (Rys.6), prze który płynie prąd elektryczny Różnica potencjałów U na zaciskach ogniwa obciążonego jest mniejsza od siły elektromotorycznej E o spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej RwI U = E RwI Rys.7 Schematy funkcjonalne zasilaczy: a)prostego; b)z transformatorem; c)impulsowego. Bibliografia: 1. Urządzenia elektroniczne : Andrzej J. Marusak 2. Pracownia elektryczna : Marek Pilawski 3. Podstawy elektroniki : Barbara Pióro, Marek Pióro