docWyprawa czwarta − A4
download 
Reklamacja Transkrypt
Wyprawa czwarta − A4
61 A4 O ś la łą c z k a Wyprawa czwarta − A4 Ś w ie c ą c e p a s k i, Z a s ila c z la b o r a t o r y jn y , P r o s t o w n ik i, S t a b iliz a t o r r e g u lo w a n y , S t a b iliz a t o r L D O , Ź r ó d ło n a p ię c ia w z o r c o w e g o , P o w ie la c z e n a p ię c ia , R e g u lo w a n a d io d a Z e n e r a , Ł a d o w a r k a a k u m u la t o r ó w k w a s o w y c h , Ł a d o w a r k a a k u m u la t o r ó w N iC d , R o z ła d o w a r k a w y r ó w n u ją c a zasilacz AC 12 V 3 0 0 mA rezystory stabilizatory diody LE D dioda Zenera tranzystory potencjometr brzęczyk piezo ź ródła napięcia odniesienia potencjometr montaż owy Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa się to na szczycie K asproweg o. S zuk asz jak ieg oś łag odne− g o, m ało strom eg o stok u, jednym słowem − oś lej łą czk i. D opiero g dy na tak iej oś lej łą czce nauczysz się podstaw, bę dziesz w stanie bezpiecznie zjechać z K asproweg o. N iniejszy cyk l jest odpowiednik iem wypraw na tak ą oś lą łą czk ę . P oszczeg ó lne wyprawy pozwalają poznać k o− lejne najważniejsze zag adnienia elek tronik i. K urs został pom yś lany, by przede wszystk im bawić , a przy ok azji uczyć . Z abawa poleg a na wyk onywaniu ró żnych poży− tecznych i ciek awych uk ładó w. W niniejszym cyk lu wszelk ie interpretacje fizyczne są m ocno uproszczone (o ile w og ó le są ), a g łó wna uwag a jest sk ierowane na zag adnienia prak tyczne. U wydatnia to charak terystyczna struk tura k ursu − k ażdy odcinek zawie− ra cztery blok i, wyró żnione k oloram i. N ajważniejszy blok to um ieszczone na białym tle ćwi− c z e n ia p r a k ty c z n e . P odane tu inform acje całk owicie wy− starczą do zbudowania i uruchom ienia opisanych uk ła− dó w. N ie lek ceważ tych ć wiczeń ! S am o przeczytanie te− Elektronika dla Wszystkich diody mostek prostowniczy k stu nie dostarczy C i wszystk ich najważniejszych infor− m acji. D opiero prak tyczne wyk onanie i zbadanie zapropo− nowanych uk ładó w pozwoli wycią g ną ć wniosk i i w pełni zrozum ieć opisane zag adnienia. W yró żniony niebiesk im k olorem E L E M E N T a r z przybliża użyte w ć wiczeniach elem enty oraz zawiera in− ne niezbę dne wiadom oś ci. W arto poś wię cić trochę czasu i starannie przeanalizo− wać zam ieszczone na żó łtym tle T E C H N I K A L I A − czyli najważniejsze wyjaś nienia techniczne. B ib lio te c z k a p r a k ty k a − czwarty blok , wyró żniony k olorem ró żowym , jest przeznaczony dla osó b, k tó re chcą projek tować wła− sne uk łady. W tej czę ś ci prezentowane są podstawowe wiadom oś ci niezbę dne m łodem u k onstruk torowi. N iniejszy m ateriał jest czwartą wyprawą na oś lą łą cz− k ę . A by bezboleś nie rozpoczą ć swą przyg odę z elek troni− k ą , warto zaczą ć od lek cji pierwszej, oznaczonej A 1 . P o− dane są tam podstawowe inform acje, w tym dotyczą ce m ontażu oraz k odu k oloroweg o, stosowaneg o do oznacza− kondensatory nia rezystoró w. K olejne odcink i publik owane są w E lek − tronice dla W szystk ich, począ wszy od num eru 1 0 /2 0 0 0 . A rchiwalne num ery E lek tronik i dla W szystk ich oraz zestawy wszystk ich elem entó w oraz m ateriałó w niezbę d− nych do przeprowadzenia ć wiczeń dostarczane są przez firm ę A V T − szczeg ó ły podano w ram ce na k oń cu artyk u− łu (E dW 8 /2 0 0 1 ) oraz na stronach 1 1 9 −1 2 3 teg o num eru. P odczas czwartej wyprawy wyk onasz k olejne wspa− niałe i pożyteczne uk łady. Z ajm iem y się bardzo pożytecz− nym i uk ładam i: prostownik am i, zasilaczam i i stabilizatora− m i. P oznasz też podstawowy przyrzą d pom iarowy elek tro− nik a − oscylosk op. O czywiś cie nie m usisz k upować oscy− losk opu − wszystk ie opisane ć wiczenia wyk onasz z powo− dzeniem bez nieg o. D o ć wiczeń bę dzie natom iast niezbę d− ne ź ró dło napię cia zm ienneg o − proponuję wyk orzystać zasilacz napięcia zmiennego o oznaczeniu AC 12/300. Ż yczę suk cesu tak że na tej wyprawie P io tr G ó r e c k i 37 A4 T E C H N I K A L I A ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka Prąd zmienny Ogólnie biorąc, prąd zmienny to taki, który do− wolnie zmienia w czasie swą wartość i kieru− nek. Zmiany mogą być różne. R ysu nek 1 po− kazuje kilka przebiegów zmiennych. Jeśli war− tości prądu (i napięcia) są na przemian dodat− nie i ujemne, a ich średnia wartość wynosi ze− ro, mamy do czynienia z prą d em przem ien− nym . R ysu nek 2 pokazuje trzy przebiegi prze− mienne (prostokątny, trójkątny i impulsowy). Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym większe napięcie, tym większy prąd i większy wpływ na organizm. Napięcia nie przekraczające 24V uznaje się za bezwzględnie bezpieczne. Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za niebezpieczne. Napięcie w domowym gnia− zdku sieci energetycznej wynosi 220...230V − jest to więc napięcie groźne dla życia! Ć wiczenie 1 Rys. 1 Rys. 2 62 Przeprowadzanie prób z układami dołączonymi wprost do sieci grozi śmiercią! Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budowane układy z f abrycznego, atestowa− nego zasilacza, który co prawda jest dołą− czany do sieci, ale zastosowane rozwiązania zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne bezpieczeń stwo. Prąd zmienny i przemienny. Świecące paski. Uwaga! Tym razem musisz użyć zasilacza prądu zmiennego. Nie nadaje się tu zasilacz będący odpowiednikiem baterii, którego używaliśmy podczas poprzednich wypraw. Wszystkie ćwiczenia tej wyprawy były przygotowane i sprawdzone z wtyczkowym zasilaczem prądu zmiennego o oznaczeniu AC 12/300 (12V 300mA). Ten zasilacz zaw iera jedynie trans− formator sieciowy. W zasadzie można byłoby użyć tak zwane− go transformatora dzwonkowego, jednak ani Autor ani R edak− cja EdW ze względów bezpieczeństwa nie zalecają użycia transformatora dzwonkowego, a tym bardziej innych transfor− matorów. Zasilacz AC 12/300 nie wchodzi wprawdzie w skład zestawu elementów do wyprawy A04 , jednak można go za− mówić oddzielnie – patrz oferta AVT na stronach 119...121. U wag a! Nie wolno zwierać ze sobą koń cówek wyjścio− wych zasilacza, bo m oż e to spowod ować jeg o przeg rzanie i trwałe u szkod zenie! W gniazdku sieci energetycznej występuje tak zwane napięcie przemienne o wartości 210...230V. Transformator na− szego zasilacza zamienia je na bezpieczne napięcie o wartości F ot. 1 Kto wymyślił tyle parametrów? Do precyzyjnego określenia prądu lub napięcia stałego wystarczy jeden parametr: niezmienne w czasie napięcie (w woltach) lub natężenie prą− du (w amperach). Inaczej jest z przebiegami przemiennymi. Ważnym parametrem przebiegu zmiennego (przemiennego) jest częstotliwość, czyli liczba cykli w ciągu jednostki czasu (licz− ba pełnych drgań na sekundę). Częstotliwość wyrażamy w hercach (H z), a oznaczamy małą, a niekiedy dużą literą f, np.: f= 100H z lub F = 100H z. 38 Częstotliwość przebiegu w sieci energetycznej wynosi dokładnie 5 0H z (5 0 cykli na sekundę). W elektronice mamy do czynienia z przebiegami o częstotliwościach rzędu tysięcy (kH z – kiloherc), milionów (M H z – megaherc), a nawet miliardów herców (GH z – gigaherc). Przykładowo antena sa− telitarna odbiera przebiegi o częstotliwościach oko− ło 12GH z, czyli 12 miliardów drgań na sekundę. Częstotliwość, czyli liczba cykli na sekundę, ściśle wiąże się z czasem. Niekiedy potrzebna jest znajomość czasu trwania jednego cyklu. Czas trwania jednego cyklu to okres przebiegu. Ozna− czamy go dużą literą T i wyrażamy w sekundach lub ułamkach sekundy. Znając częstotliwość, łatwo obliczyć okres i v ice v ersa. T = 1/f f = 1/T Przykładowo przebieg o częstotliwości 5 0H z ma okres równy 20ms. Czy wiesz, że... nazwa jednostki częstotliwości, herc, pochodzi od nazwiska niemiec− kiego badacza, Heinricha Hertza. Elektronika dla Wszystkich 63 A4 Ośla łączka Rys. 1 Rys. 2 Elektronika dla Wszystkich Rys. A Prąd przemienny często oznaczamy skrótem AC (ang. Alternate Current), w odróżnieniu od prądu stałego, który ozna− czamy DC (Direct Current). Podczas pierw− szej wyprawy porównaliśmy prąd elektrycz− ny z przepływem wody w rurach. W instala− cji wodociągowej woda może płynąć tylko w jednym kierunku – odpowiednikiem tego jest prąd stały (ściślej: jednokierunkowy) Analogią obwodu prądu zmiennego była− by pompa tłokowa, powodująca przepływ wody raz w jedną, raz w drugą stronę, co ilu− struje rysunek 3 . Podobnie jest z prądem zmiennym (ściślej: przemiennym) w sieci energetycznej – elek− trony poruszają się raz w jedną, raz w drugą stronę, a biegunowość napięcia zasilającego zmienia się 50 razy na sekundę – fachowo po− wiemy: z częstotliwością 50 herców (50Hz). Rys. 4 b) Rys. 3 RL rury − o d p o w ie d n ik i p rz e w o d ó w c ylin d e r z tło k ie m − o d p o w ie d n ik ź ró d ła n a p ię c ia p rz e m ie n n e g o zw ę żk a − o d p o w ie d n ik re z ys to ra względem ich działania (wydzielania ciepła) wprowadzono pojęcie wartości skutecznej. To duży temat, nie będziemy się weń wgłębiać. Na razie przyjmij, że wartość skuteczna prądu zmien− nego to taka wartość prądu stałego, który wydzie− li na rezystancji obciążenia tyle samo ciepła, co badany prąd zmienny. Przeanalizuj też rysunek B, ilustrujący parametry fundamentalnego prze− biegu – napięcia (prądu) sinusoidalnego. Właśnie sinusoida jest podstawowym, niejako pierwotnym i naturalnym przebiegiem przemiennym. W przy− szłości dowiesz się dokładniej, że przebiegi o naj− rozmaitszych kształtach w rzeczywistości są zło− żeniem pewnej liczby przebiegów sinusoidal− nych. Na razie zapamiętaj, że wartość szczytowa sinusoidy jest 2 , czyli 1,41...razy większa od wartości skutecznej. Dla przebiegu prostokątnego (pierwszy prze− bieg na rysunku A) wartość skuteczna jest równa jego amplitudzie, wartość średnia jest równa zeru. 39 TECHNIKALIA TECHNIKALIA Informacja o częstotliwości nie w pełni cha− rakteryzuje przebiegi przemienne. Trzeba jakoś podać ich wartość, a może kształt. Czy przebie− gi napięcia, pokazane na rysunku A, mają jed− nakową wartość? Jedno, co można powiedzieć to: mają stałą amplitudę, czyli maksymalne odchylenie od wartości średniej. W pokazanych przypadkach wartość średnia wynosi zero, bo są to przebie− gi przemienne. Czujesz też chyba intuicyjnie, że żarówka podłączona do napięcia prostokątnego z rysun− ku pierwszego będzie świecić jaśniej niż żarów− ka zasilana napięciem o kształcie zbliżonym do zębów piły z rysunku drugiego. Tak samo ilość ciepła wydzielonego w rezystorze zasilanym ta− kimi przebiegami będzie różna. W każdym przypadku skutek (ilość wydzielonego ciepła) będzie inny. Amplituda jest jednakowa, a skutki różne. Aby porównać jakoś przebiegi pod ... Nie, nie powiem, co zobaczysz! Sprawdź sam! Efekt jest interesujący. Przekonasz się naocznie, że diody nie świecą jednocześnie, tylko zaświecają się na przemian. Następuje to 50 razy w ciągu sekundy. Nasze oko nie jest zbyt szybkie i normalnie daje się oszukać, dając wrażenie ciągłego świecenia. Jeśli jednak energicznie poruszasz diodami, sztuczka wychodzi na jaw. W przypadku baterii i zasilacza uży− wanego na poprzednich wyprawach mie− liśmy do czynienia z prądem stałym; tam takiego efektu nie ma, bo dioda świe− ci ciągle. Teraz mamy do czynienia z prą− dem zmiennym, ściślej przemiennym. Spróbuj teraz zmierzyć napięcie wyj− ściowe zasilacza AC 12/300. Wcześniej zawsze wykorzystywaliśmy woltomierz i amperomierz napięcia stałego (DC). Ustaw woltomierz na zakres 20VDC. Zmierz napięcie z transformatora (punkty A, B na rysunkach 1, 2). Jaką wartość po− kazuje woltomierz? ... Coś tu nie gra, powinno być kilkanaście woltów, a jest coś koło zera. Żeby zmierzyć wartość zmiennego na− pięcia transformatora, musisz użyć woltomie− a) rza napięć zmiennych. Ustaw na mierniku za− kres 20VAC. Teraz wszystko jest w po− rządku – woltomierz pokazuje sensowną wartość (ja w układzie z rysunku 2 uzyskałem wynik 14,54V, przy czym napięcie w sieci wynosiło 212V). B ez obciążenia napięcie wyjściowe transforma− tora było nieco wyższe i wynosiło 14,6 8V. ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz kilkunastu woltów. Jeśli do transformatora dołączysz diodę L ED i rezystor według rysunku 1, będzie świecić niezależnie od kierunku włączenia. Nie bój się o bieguno− wość. Wprawdzie na schemacie zaznaczy− łem umowne punkty A, B , jednak żaden z przewodów nie jest wyróżniony – prze− konaj się, że tym razem nie ma tu „ plusa i minusa” , a układ zachowuje się tak samo przy dowolnym podłączeniu przewodów zasilacza (ja dla wygody obciąłem ory− ginalną końcówkę kabla zasilacza). Zestaw teraz układ według rysunku 2 i fotografii 1. Zaświecą się obie diody, mimo że są włączone w przeciwnych kierunkach. Wygląda na to, że napięcie jest jedno− cześnie i dodatnie i ujemne... Czyżby? Nie, tak być nie może! W danej chwi− li napięcie jest albo dodatnie, albo ujem− ne, albo równe zeru... Żeby odkryć tajemnicę, pomachaj energicznie diodami w pomieszcze− niu, gdzie światło jest przytłumione. Zobaczysz... A4 Rysunek 4 pokazuje przebieg zmian na− pięcia sieci w czasie. Krzywa ta to tak zwana sinusoida − jest to podstawowy przebieg w elektronice. Właśnie tak zmienia się napię− cie w sieci energetycznej. Transformator Popularny element, czę− sto w skrócie nazywany trafo, którego zadaniem jest zmiana wartości na− pięcia zmiennego, a zwy− kle także oddzielenie gal− waniczne dwóch obwodów ze względów bezpieczeństwa. Typowy transformator składa się z dwóch uzwojeń (pierwotnego i wtórnego), nawinię− tych na rdzeniu. Niektóre transformatory ma− ją kilka uzwojeń. Podstawowy symbol transformatora po− kazuje rysunek powyżej. Najczęściej stosowane są transformatory sieciowe z rdzeniem z blach transformatoro− wych, gdzie uzwojenia pierwotne i wtórne są skutecznie oddzielone galwanicznie. F oto− grafia 1 pokazuje wygląd kilku popularnych Fot. 1 Ćwiczenie 2 Włącz teraz w obwód zwykłą diodę D1 (1N4007 ) według rysunku 3. Jedna dio− da LED zgaśnie. Nic dziwnego, dioda D3 przepuszcza prąd w jednym kierunku (właściwości diody badaliśmy podczas trzeciej wyprawy. Rys. 4 Rys. 3 Czy wiesz, że... w literaturze można zna− leźć rysunkowy dowcip, po− kazujący jak dioda prostuje prąd zmienny. Rysunek 4 pokazuje przebiegi napięć UAB oraz UCD w czasie. Mówimy, że dioda D1 prostuje prąd zmienny, a transformator z dio− da jest prostownikiem półokresowym lub W rzeczywistości działanie dio− jednopołówkowym. Na− dy opiera się na złożonych za− pięcie UCD jest napięciem leżnościach, opisywanych jednokierunkowym, tęt− przez tak zwaną fizykę niącym. kwantową. Jeśli diodę D1 włączysz „w drugą stronę”, wykorzystasz ujemne połówki przebiegu. Fot. 2 W ćwiczeniu 1 zmierzyliśmy na− pięcie zmienne między punktami A, B (14,54V). Zmierz napięcie stałe między punktami C, D we− dług rysunku 3. Rys. B Dla przebiegu stałego częstotliwść jest równa zeru, natomiast amplituda, wartość skuteczna i wartość średnia są jednakowe, dlatego poda− jemy tylko jedną wartość napięcia czy prądu stałego. Podawane wartości napięć zmiennych, na przykład napięcia wyjściowego transformatora, to wartości skuteczne. Oznaczenie 24VAC to też wartość skuteczna napięcia. W razie potrzeby, by uniknąć wątpliwości, wartości skuteczne napięcia i prądu oznacza się literkami sk lub od angielskiego skrótu RMS, np.: 12Vsk, 4ARMS, 4,7 mAsk, 8,2mVRMS. Cuda i dziwy? W ćwiczeniu 3 mierzyliśmy napięcia stałe i zmienne. Wydały się bardzo dziwne. Teraz już 40 64 Prostownik jedno− połówkowy (półokresowy) Ćwiczenie 3 TECHNIKALIA TECHNIKALIA ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka Najprostszy zasilacz Rys. 5 wiesz, że woltomierz napięcia zmiennego mierzy wartości skuteczne, że napięcie po dołączeniu kondensatora wzrasta, bo ładowany jest on w szczytach sinusoidy, czyli napięciem szczyto− wym. Z podanych zależności, które zresztą znaj− dziesz w każdej książce, można wysnuć wniosek, że napięcie na kondensatorze będzie równe am− plitudzie przebiegu zmiennego. Ś ciślej amplitu− dzie pomniejszonej o spadek napięcia na diodzie. Dokładne przeliczenie wartości uzyskanych w ćwiczeniach 3 i 4 wskazuje, że coś się tu nie zgadza. Po pierwsze, transformator miał dawać napięcie zmienne 12V, a dawał napięcie znacznie większe. Po drugie, uzyskane wartości napięć stałych też nie do końca odpowiadają podanym wzorom. Elektronika dla Wszystkich 65 A4 Ośla łączka Czy już wiesz, dlaczego? Podłącz brzęczyk w układzie według rysunku 6 a. Usłyszysz głośny terkot. Nic dziwnego, brzeczyk jest zasilany napię− ciem tętniącym – patrz rysunek 4. Dodaj kondensator filtrujący o pojemności 22µF według rysunku 6 b. Terkot niemal całko− wicie zniknie, usłyszysz ciągły dźwięk brzęczyka – kondensator wygładził napię− cie wyjściowe. Fotografia 3 pokazuje układ na tym etapie. Gdy dołączysz obciążenie R1D2 według rysunku 6 c, terkot wyraźnie się Fot. 2 Fot. 3 Rys. 6 Zagadkę wyjaśnia rysunek C. Główną przy− czyną są szkodliwe rezystancje wewnętrzne trans− formatora. Uzwojenia transformatora, wykonane z drutu miedzianego, mają jakąś rezystancję (do te− go dochodzą inne szkodliwe zjawiska). Jeśli przez uzwojenia popłynie prąd, wystąpi spadek napięcia na tych rezystancjach. Spowoduje to także grzanie transformatora. Maksymalny prąd (i maksymalna moc) zależy w dużym stopniu właśnie od omawia− Rys. C Elektronika dla Wszystkich transformatorów sieciowych z tak zwanym rdzeniem EI (ze względu na podobieństwo blaszanych kształtek rdzenia do liter E, I). Fotografia 2 pokazuje transformatory siecio− we z tzw. rdzeniem zwijanym. Kolejna foto− grafia 3 przedstawia nowoczesne, chętnie stosowane transformatory toroidalne. Zamie− niają one duże i groźne dla życia przemienne napięcie sieci energetycznej (220...230V) na niewielkie przemienne napięcie wtórne (3...24V). Generalnie czym większy (i cięż− szy) jest rdzeń tranzystora, tym większą moc może przenieść. nych rezystancji. Nie można z transformatora po− brać dowolnie dużego prądu – nie pozwolą na to rezystancje, powodujące zmniejszanie napięcia wyjściowego wraz ze wzrostem prądu. Prąd ma− ksymalny (i moc) są one określane przez produ− centa i można je znaleźć w katalogu − wyznaczone są w sumie przez dopuszczalne temperatury uzwo− jenia i rdzenia. A jak wobec tego określa się napięcie wyjścio− we transformatora? Czy w stanie jałowym, bez ob− ciążenia, gdy napięcie jest największe? Czy raczej przy największym dla danego transformatora ob− ciążeniu, gdy napięcie jest najmniejsze? Uważaj! Podawane w katalogu napięcie wyj− ściowe transformatora, to wartość skuteczna napię− cia zmiennego przy prądzie maksymalnym i co ważne − przy obciążeniu rezystancją. W takich Uwaga! Transformatory pracują tylko przy napięciach przemiennych. Podanie nań napięć stałych wywoła przepływ dużego prą− du, przegrzanie uzwojeń i uszkodzenie. Podstawowymi parametrami transforma− torów sieciowych są napięcie uzwojenia wtórnego, prąd nominalny i związana z tym moc. Krajowe transformatory sieciowe oznaczane są literami TS i dwiema liczba− mi. Pierwsza liczba określa moc transforma− tora, druga jest numerem seryjnym i nie nie− sie informacji o parametrach. Przekonasz się, że w katalogach moc podaje się nie w watach, tylko w tak zwanych woltoampe− rach (skrót VA). Ty na razie nie musisz wchodzić w szczegóły – możesz przyjąć, że chodzi o waty. Przykładowo TS2/56 to oznaczenie popularnego, dwuwatowego transformatora o napięciu nominalnym 15,8V i prądzie 0,1A. Nominalne napięcie wyjściowe transfor− matora to napięcie (wartość skuteczna napię− cia zmiennego) mierzone przy obciążeniu prądem nominalnym. Do różnych celów używane są też inne transformatory: impulsowe, mikrofonowe, autotransformatory, itd. z rdzeniami z blach albo ze specjalnego materiału zwa− nego ferrytem. Na razie nie będziemy się nimi zajmować. Mostek prostowniczy Ponieważ bardzo często w układach prostow− ników i zasilaczy stosowane są prostowniki mostkowe, przemysł produkuje wiele typów gotowych mostków. 85 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz (nie zapomnij przełączyć woltomierza z zakresu AC na DC). Mój woltomierz napięcia stałego pokazał 6,4V. Teraz dodaj do prostownika jednopo− łówkowego kondensator według rysun− ku 5 . Pamiętaj, że odwrotne włączenie kondensatora elektrolitycznego grozi je− go wybuchem! Gdy kondensator, zwany kondensato− rem filtrującym, dołączysz podczas pracy układu (patrz fotografia 2), dioda zaświe− ci zdecydowanie jaśniej. Wygląda na to, że dołączenie kondensatora podwyższa napięcie wyjściowe... Zmierz napięcie na kon− densatorze C1. U mnie wy− nosiło... 18,4V Bez konden− satora napięcie wyprostowa− ne (6,4V.DC) jest dużo mniejsze niż napięcie zmienne z zasilacza (15,54V). Ale za to z kon− densatorem napięcie stałe na wyjściu (18,4V) jest znacz− nie większe niż napięcie zmienne na wejściu! Czy to cud, czy jakaś pomyłka? Nie jest to ani cud, ani pomyłka. Wyjaśnienie znajdziesz w TECHNI− KALIACH. Układ z rysunku 5 jest najprostszym zasilaczem, ale takich zasilaczy prawie się nie stosuje. Sprawdź− my właściwości takiego zasilacza. Ostrzegam jed− nak – będzie głośno, bar− dzo głośno. A4 Ośla łączka zwiększy – przy większym obciążeniu mały kondensator nie wystarcza i tętnie− nia się zwiększają. Teraz dołącz (możesz dotknąć) do C1 dodatkowy kondensator o pojemności 1000µF – terkot zniknie całkowicie – znów usłyszysz ciągły pisk brzęczyka bez śladu terkotu. Nie wyciągnij z tego wniosku, że kondensator zwiększa moc. On tylko wygładza napięcie, stanowiąc pomocniczy zbiornik energii. Rysunek 7 pokazuje przebiegi w róż− nych wersjach układu z rysunku 6. Tylko przy małych prądach obciążenia mały kondensator powoduje, że napięcie TECHNIKALIA TECHNIKALIA Prostownik mostkowy. Najprostszy zasilacz Popatrz na schemat z rysunku 8 a, gdzie wykorzystujemy, umownie biorąc, „do− datnie” połówki przebiegu; „ujemne” nie są wykorzystywane. W układzie we− dług rysunku 8 b wykorzystujemy po− łówki „ujemne”. A czy nie można jakoś wykorzystać jednych i drugich? Masz jakiś pomysł? Z dwiema diodami nie da rady, ale... W układzie według rysunku 9 a też wy− korzystujemy „dodatnie” połówki, a we− dług 9 b – „ujemne”. Jeśli połączymy je ra− zem otrzymamy układ z rysunku 9 c. Moż− na go też narysować jak pokazuje rysunek 9 d. Jest to prostownik mostkowy, pełno− okresowy, inaczej dwupołówkowy, zwany także mostkiem Graetza (czytaj: greca). Przeanalizuj w jakich obwodach płynie prąd w dodatnich i ujemnych półokresach. Zapamiętaj, że napięcie na obciążeniu jest mniejsze od napięcia z transformatora o spadki napięcia na dwóch diodach (1,2...2V). Co istotne, przez każdą parę diod płynie połowa prądu obciążenia. Dzięki te− mu układ mostkowy złożony z diod na warunkach prąd pobierany z transformatora takze ma kształt sinusoidy. Rysunek D ilustruje spadek napięcia jakiegoś transformatora przy obciążeniu rezystancją. Linią kropkowaną zaznaczyłem prąd, linią ciągłą – napięcie. Gdy przez szkodliwe rezystancje uzwojeń pły− nie „spokojny” przebieg sinusoidalny, spadek na− pięcia jest stosunkowo mały. Jeśli jednak pojawią się impulsy prądowe o dużej wartości, wtedy oczywiście spadek napięcia na rezystancjach uzwojeń będzie dużo większy. W rezultacie napię− cie wyprostowane będzie dodatkowo zmniejszo− ne. Pokazuje to w uproszczeniu rysunek E. Linia przerywana pokazuje napięcie wyprostowane na obciążeniu. Zwróć uwagę, że kondensator filtrujący C1 jest szybko ładowany dużym prądem jedynie w dodat− nich szczytach sinusoidy. I tylko wtedy w uzwoje− niach płynie prąd i następuje spadek napięcia 86 wyjściowe nie wykazuje wahań. Po dołą− czeniu obciążenia napięcie zasilające nie jest już „gładkie” – pojawiają się tętnie− nia, a ponadto napięcie wyjściowe się zmniejsza. Jeśli nie wszystko rozumiesz, zajrzyj do TECHNIKALIÓ W. Fot. 3 Rys. 7 Ćwiczenie 4 66 przykład 1−amperowych może prostować prąd o natężeniu do 2A (ale mostek 1−am− perowy nie może pracować przy 2A). Rys. 8 Fot. 4 Rys. E Rys. D Elektronika dla Wszystkich 67 A4 Przebiegi w układzie będą wyglądać podobnie, jak w prostowniku jednopo− łówkowym z rysunku 7. Napięcie wyj− ściowe na kondensatorze jest takie sa− mo. Układ mostkowy jest jednak zdecy− dowanie lepszy, bo wykorzystuje obie połówki przebiegu przemiennego, a tym samym pozwala w pełni wykorzystać możliwości transformatora. Omówione proste zasilacze niestabi− lizowane są niedoskonałe, bo przy wzroście poboru prądu ich napięcie znacznie się zmniejsza i zwiększają się tętnienia. Rys. 9 Ćwiczenie 5 Moc i ciepło. Obciążalność rezystorów Wprost do zasilacza AC12/300 dołącz rezystor o wartości 470Ω. Przy napię− ciu w granicach 15V (u mnie było 14,3V) przez rezystor płynie prąd oko− ło 32mA. Po kilku sekundach dotknij rezystora palcami – jest mocno ciepły (ale się nie poparzysz). Przepływ prądu przez rezystancję powoduje wydziela− nie ciepła. Moc elektryczna zamienia się na cieplną. Jeśli chcesz, możesz zrobić podobny eksperyment ze świeżą baterią alkalicz− ną 1,5V (paluszek LR6). Żeby jednak re− zystor był tak samo ciepły, rezystancja musi wynosić 4,7Ω. Prąd wyniesie teraz aż 0,32A (320mA). Uwaga! Ze zwykłym, tań s zym „ p alu s zkiem” d o ś wiad c zen ie mo ż e s ię n ie u d ać , b o zwykłe b ater ie ma− ją mn iejs zą wyd ajn o ś ć i n ie u zys kas z p r ą d u o war to ś c i 3 2 0 mA . Zwróć uwagę, że aby wydzielić taką samą ilość ciepła, mamy albo duże na− pięcie i mały prąd (15V; 0,032A), albo małe napięcie i duży prąd (1,5V; 0,32A). W obu przypadkach iloczyn napięcia i prądu (U* I) jest taki sam i wynosi oko− ło 0,5... Zero pięć czego? 0,5 W czyli pół wata. Pół wata mocy strat w postaci ciepła. I to jest kolejna ważna sprawa do zro− zumienia i zapamiętania: jeśli przez re− zystor albo inny element płynie prąd transformatora. Przebieg z transformatora zostaje zdeformowany i nie przypomina już sinusoidy. Co najważniejsze, pod wpływem obciążenia występuje tu duży spadek napięcia wyjściowego. Zwróć uwagę, że jest on dużo większy, niż w ukła− dzie z obciążeniem rezystorowym według rysunku D. Sytuacja trochę się poprawi po zastosowaniu prostownika mostkowego, ale nadal przez uzwoje− nia i diody będzie płynął prąd o charakterze impul− sowym, powodujący znaczne spadki napięcia na uzwojeniach transformatora. Jakie są wnioski praktyczne? Niezbyt wesołe! Okazuje się, że znajomość podawanych w ka− talogu napięć i prądu transformatora nie pozwala na obliczenie wszystkich ważnych parametrów zasilacza. Przypuśćmy, że mamy transformator TS10/35 o mocy 10VA, który według katalogu ma napięcie 9V i prąd 1A (o mocy przeczytasz za następnym śródtytułem). Czy po wyprostowaniu w układzie według ry− sunku E uzyskamy na kondensatorze filtrującym napięcie 12,1V, szczytowe (1,41*9V), pomniej− szone o spadek napięcia na diodzie (0,6V)? Czy uda się „wycisnąć” z niego 10 watów mocy, czyli przy obliczonym właśnie napięciu 12,1V uzyskać prąd 0,82A? Oj, oj, nie tak szybko szybko! Nawet z prostownikiem mostkowym najpraw− dopodobniej nie uda się uzyskać takiego wyniku. Pamiętaj, że napięcie 9V (przemienne, wartość skuteczna) uzyskuje się na uzwojeniu wtórnym przy obciążeniu rezystancją, przy prądzie 1A. Elektronika dla Wszystkich Fotografia poniżej pokazuje kilka mostków. Fot. 4 Moc W ćwiczeniu 5 przekonaliśmy się, jak wiel− kość wpływa na właściwości rezystora. Te− raz już wiesz, że oprócz rezystancji, drugim najważniejszym parametrem rezystora jest obciążalność. Wyrażamy ją w watach (W). Obciążalność wskazuje, jaka moc maksy− malna może wydzielać się w rezystorze bez ryzyka jego uszkodzenia (spalenia). Obcią− żalność typowych, małych rezystorów wy− nosi 0,1...0,4W. Fotografia poniżej pokazu− je kilka rezystorów o takim samym nomina− le (750Ω) i o różnej obciążalności (potocz− nie: o różnej mocy). Duży, zielony rezystor drutowy ma obciążalność 8W, a temperatura powierzchni w czasie pracy może dojść do + 300oC. Drugi duży rezystor metalizowany ma obciązalność 1W. Małe rezystorki mają obciążalność około 0,25W. Problem mocy i grzania dotyczy nie tylko rezystorów. Gdy przez dowolny element pły− nie prąd i na elemencie występuje napięcie, w elemencie tym wydziela się ciepło. Staje się on grzejnikiem Moc elektryczna zamienia się na moc cieplną i jest to tak zwana moc strat. Podobnie jest przy prądzie stałym i zmiennym (przy prądzie zmiennym są jed− nak wyjątki, ale to historia z zupełnie innej bajki). Najprościej biorąc, moc to iloczyn napię− cia i prądu. Jeśli na elemencie występuje na− pięcie U i płynie jakiś prąd I, w elemencie wydzieli się moc P w postaci ciepła. P = U* I Czym większe napięcie i większy prąd, tym większa wydzielana moc cieplna. To cie− pło strat jest przekleństwem układów elektro− nicznych, zwiększa bowiem temperaturę ele− mentów. Zwiększa też prawdopodobieństwo awarii, czyli obniża niezawodność. Prawdę mówiąc, to nie moc strat jest źródłem zła, tylko właśnie wysoka temperatura. 87 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Dodaj do prostownika kondensator filtrujący. Układ z rysunku 9d jest pro− stym zasilaczem. Dla ścisłości trzeba do− dać, że jest to zasilacz niestabilizowa− ny. Najtańsze zasilacze kupowane na ba− zarach mają taką właśnie budowę. Model pokazany na fotografii 4 za− wiera nie cztery pojedyncze diody, tylko element zwany mostkiem prostowni− czym. Dlatego na schematach cztery diody często zastępuje się innym, rów− norzędnym symbolem. Dodatkowo na fotografii zobaczysz widok mostka od strony wyprowadzeń. Ośla łączka A4 Ośla łączka i występuje na nim napięcie, to w tym elemencie wydziela się tak zwana moc strat w postaci ciepła. Moc, w tym wypadku moc strat, oznaczamy literą P, i obliczamy z proste− go wzoru: P=U*I gdzie U – napięcie na elemencie, I – prąd płynący przez element. Moc mierzymy w watach. Na razie możesz przyjąć w uproszczeniu, że wat to wolt razy amper. Doświadczenie po− twierdza, że taką samą moc uzyskamy przy małym prądzie i dużym napięciu (zasilacz), jak i przy dużym prądzie i małym napięciu (paluszek). Czy wiesz, że... nazwa jednostki mocy, wat, po− chodzi od nazwiska Jamesa Watta, wynalazcy maszyny parowej. Ćwiczenie 6 TECHNIKALIA Fot. 5 zystancji 10Ω, ale znacznie większy. Rozgrzał się on do temperatury ponad +100oC (kropelka wody, czytaj – śliny wyparowywała momentalnie), ale się nie spalił. Ty nie musisz wykonywać takiego ćwiczenia, popatrz tylko na fotografię 5, pokazującą nowy, mały rezystor 10−omo− wy, to co zostało z testowanego rezysto− ra oraz większy rezystor typu RDCO, który nie uległ uszkodzeniu. Teraz już chyba jasno widzisz, że obok rezystancji, drugim najważniej− szym parametrem rezystora jest obcią− żalność, zwana też po prostu mocą. Ma− ły rezystor o obciążalności około 0,25 wata uległ uszkodzeniu. Dużemu, o ob− ciążalności 8 watów, nic się nie stało. Moc strat tranzystora Zestaw układ według rysunku 10 i foto− grafii 6. Tym razem dioda LED pełni tylko rolę pomocniczą. Interesuje nas temperatura tranzystora i temperatura re− zystora R1. Temperatura wskazuje, jaka moc wydziela się w tych elementach. Sprawdź w jakim położeniu suwaka po− tencjometru tranzystor grzeje się najbar− dziej. Nie spiesz się; żeby nagrzać się lub ostygnąć, elementy potrzebują co najmniej kilkunastu sekund. Jaki jest wynik? Zgodnie z oczekiwaniami rezystor R1 jest najcieplejszy, niemal gorący, w gór− nym (na rysunku) położeniu suwaka po− tencjometru. Wtedy występuje na nim największe napięcie i płynie największy Bez obciążenia, w stanie jałowym napięcie transformatora będzie większe od podanego w katalogu, więc po wyprostowaniu otrzymamy na kondensatorze filtrującym napięcie sporo wyższe niż 12V. Natomiast pod obciążeniem napięcie bę− dzie znacząco spadać, bo duże impulsy ładujące kondensator spowodują duże spadki napięcia na rezystancjach transformatora. Przy prądzie o tak dużej wartości spadek napięcia na diodzie też bę− 88 Przygotowując to ćwiczenie, dołą− czyłem wprost do wyjścia zasilacza AC12/300 mały rezystor o wartości 10Ω. Przy takim ob− ciążeniu napięcie (zmienne) spadło do 6,95V, czyli przez rezystor ten popłynął prąd (zmienny) o wartości około 0,7A. Po dziesięciu sekundach rezystor zaczął dymić i wkrótce zrobił się czarny. Lakier spuchł i zwęglił się, a pomieszczenie wypełniło się zapachem, najdelikatniej mówiąc, mało przyjemnym. Po minucie końcówki rezystora zrobiły się tak gorące, że prze− wody od zasilacza same się odlutowały. W zestawie elementów A04 znaj− dziesz dwa małe rezystory 10−omowe. Możesz powtórzyć doświadczenie, tylko nie miej do mnie pretensji, że nie ostrze− gałem przed efektami zapachowymi i możliwością poparzenia palców. Potem dołączyłem do zasilacza rezy− stor drutowy typu RDCO, o tej samej re− 68 prąd, o czym też świadczy dioda LED (która tu dla dobra nauki pracuje poza do− puszczalnym przez producenta zakresem). A tranzystor? Może jest dla Ciebie za− skoczeniem, że najcieplejszy jest w środko− wym położeniu suwaka, a nie przy naj− większym prądzie. W górnym położeniu suwaka prąd płynący przez tranzystor jest wprawdzie największy, ale napięcie na nim jest małe, rzędu 1V, więc i moc strat (U*I) jest niewielka. W dolnym położeniu suwa− ka napięcie na tranzystorze jest wprawdzie największe, jednak prąd jest mały, więc moc też jest niewielka. Uwaga! Zmiany temperatury tranzystora są niewielkie – aby były większe, możesz zmniejszyć R 1 do 1 00Ω, ale maksymalny prąd będzie dużo większy, niż zaleca− ny przez producenta prąd diody L E D . W każdym razie w pewnych warun− kach pracy tranzy− Fot. 6 stor się grzeje. Te− raz już chyba rozu− miesz, dlaczego w katalogach podaje się maksymalną moc strat tranzystora. Jeśli moc tracona (zamieniana na ciepło) bę− dzie większa od dopuszczalnej, tranzystor ulegnie przegrzaniu i trwałemu uszkodze− niu. W TECHNIKALIACH znajdziesz nieco więcej na ten temat. dzie większy niż 0,6V i może wynosić nawet 1V czy 1,1V. Trzeba też uwzględnić, że w wielu okolicach kraju napięcie sieci energetycznej nadal jest znacznie niższe od nominalnego i wynosi 210V lub jeszcze mniej. Wszystko to powoduje, że z transformatora tego nie da się uzyskać napięcia stałego 12,1V przy prądzie 0,82A. Ponieważ w grę wchodzą tu jeszcze inne czynni− ki, precyzyjne obliczenie, jakie napięcie stałe uzyska− my przy danym prądzie obciążenia, jest bardzo trud− ne. Małe transformatory są „miękkie”, to znaczy, że napięcie pod obciążeniem znacznie spada. Transfor− matory duże, zwłaszcza toroidalne, są „sztywne”, to znaczy ich napięcie wyjściowe mało zmienia się pod wpływem obciązenia. W każdym razie hobbysta po− winien nastawić się na przykre niespodzianki i ekspe− rymentalnie sprawdzić możliwości zasilacza, zwła− szcza przy obniżonym napięciu sieci (np. 200V). Rys. 10 Piotr Górecki C iąg dalszy w kolejnym numerze E dW I nformacje dotyczące zestawu E dW −04 do „ O ślej łączki“ znajdują się na stronie 120. Elektronika dla Wszystkich 69 A 4 O ś la łą czk a Ćwiczenie 7 P odwajacz nap ię cia Zestaw teraz układ według ry s u n k u 1 1 i fotografii 7 . Przed włączeniem zasi− lacza sprawdź dokładnie, czy prawidło− wo włączone są grożące wybuchem „elektrolity” C1, C2. Jasność diody LE D wskazuje, że napięcie jest więk− sze niż w poprzednich układach pro− stowniczych (rysunki 5, 9 d). Zmierz napięcie na wyjściu (między punktami C, D). Jest prawie dwa razy większe niż poprzednio i prawie trzy razy więk− sze od napięcia zmiennego transforma− tora (u mnie było 36 ,2V). Rezystor 1kΩ jest bardzo gorący, bo wydziela R ys . 1 1 się w nim moc ponad 1W − kilkakrotnie więcej, niż wynosi jego moc nominalna Zbudowaliśmy tak zwany p od w ajac z n ap ię c ia. Jestem przekonany, że nie masz wątpliwości, jak działa – w zasadzie są to dwa prostowniki jednopołówkowe z ćwi− czeń 2 i 3; porównaj też rysunek 8 . Nie ciesz się jednak, że napięcie jest wysokie. Nic za darmo! Z takiego ukła− du można pobrać jedynie niewielki prąd. W układach omówionych masz do wy− boru: albo duże napięcie i mały prąd (podwajacze i powielacze napięcia), al− bo mniejsze napięcie i większy prąd (układ mostkowy). W grę wchodzi tu kilka czynników; najważniejszym jest moc transformatora. S łusznie się domy− ślasz, że gdyby transformator miał więk− sze wymiary, byłby w stanie oddać większą moc. Próba „wyciśnięcia” z ma− łego transformatora mocy większej niż nominalna zakoń czy się przegrzaniem uzwojeń i spaleniem izolacji. Nie próbuj czegoś takiego! Fot. 7 Czy na moc nie ma mocnych ? Wiesz, że moc obliczamy jako iloczyn napięcia i natężenia prą d u . P =U ∗I C zęsto korzystamy z ich przekształconych form: U= P = P*R , I R= U2 P = 2 P I poniew aż w ed łu g praw a O h ma U = I ∗ R, oraz, I= U , w ięc R P =U ∗I P = ( I ∗ R) ∗ I = I ∗ R 2 2 U U P = U ∗ = R R Elektronika dla Wszystkich I= P P = R U T o są bard zo pożyteczne w zory. Z apamiętaj je, a jeś li masz tru d noś ci, zapisz i u mieś ć w d obrym miejscu . D iod a Z ener a R ysu nek obok poka− zu je symbol tak zw a− nej d iod y Z enera. Fotografia przed sta− w ia kilka d iod stare− g o i now eg o typu . D iod y Z enera, na− zw ane sw ojsko przez jed nych „ zenerami” , przez innych „ zenerkami” , w ykorzystyw ane są d o stabilizacji napięcia oraz d o og ranicza− nia zbyt d u żych napięć . Fot. 6 K oniecznie mu sisz zapamiętać , że d iod a Z enera w łą czana jest w u kład niejako od − w rotnie, czyli w kieru nku zaporow ym. W kieru nku przew od zenia zach ow u je się jak zw ykła d iod a krzemow a. N ajw ażniejszym parametrami d iod y Z e− nera są napięcie nominalne oraz d opu s z cz al− na moc s tr at. J eś li napięcie zaporow e jest mniejsze od napięcia nominalneg o d iod y, prą d przez nią nie płynie. P ró ba zw iększenia napięcia na d iod zie pow yżej napięcia nomi− nalneg o spow od u je g w ałtow ny w zrost prą d u . N ajproś ciej biorą c, d iod a nie d opu ś ci d o w zrostu napięcia i przejmie na siebie cały prą d . P rą d przepływ ają cy przez d iod ę pow od u − je pow staw anie ciepła, i to jest istotny czyn− nik og raniczają cy. M oc strat d iod y to iloczyn napięcia na d iod zie i prą d u (P = U * I). M niej istotne d la począ tku ją ceg o h obby− sty są inne parametry, jak w spó łczynnik zmian napięcia Z enera pod w pływ em tempe− ratu ry czy w spó łczynnik zmian teg oż napię− cia pod w pływ em zmian prą d u (tak zw ana re− zystancja d ynamiczna). N ajpopu larniejsze d iod y Z enera mają na− pięcia nominalne od 3 ,3 d o 3 3 V , a naw et d o 1 5 0 V i moce od 0 ,2 W...5 W. D iod y Z enera oznacza się w ch araktery− styczny sposó b. N a przykład C 4 V 7 oznacza d iod ę Z enera o napięciu 4 ,7 V . C 1 2 V oznacza d iod ę Z enera 1 2 −w oltow ą . L itera C oznacza tolerancję napięcia. D aw niej d iod y Z enera w ykorzystyw ano jako ź ró d ła napięcia w zorcow eg o. 37 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronie 120 A4 Obecnie rzadko pełnią tę rolę, bo zostały wyparte przez znacznie dokładniejsze spe− cjalne układy. Warto jednak wiedzieć, że do dziś w ofertach firm handlowych można zna− leźć diody Zenera o bardzo dobrej stabilności cieplnej – ich napięcie zmienia się tylko o 0,0005% przy zmianie temperatury o jeden stopień Celsjusza. Co ciekawe, zawsze są to diody o napięciu nominalnym 6,2V. Jeśli nie jest potrzebna precyzja ani dokład− ność, a potrzebne jest małe napięcie stabilizo− wane, często zamiast diod Zenera używamy diod LED, włączonych normalnie, w kierunku przewodzenia – napięcie wynosi wtedy 1,6...2,2V, zależnie od typu diody i prądu pracy. Ćwiczenie 8 Oprócz „zwykłych” diod prostowniczych, diod LED i diod laserowych, występuje wiele innych rodzajów diod. Produkowane są na przykład diody pełniące rolę kondensatorów (1...300pF ), gdzie pojemność zależy od napię− cia (wstecznego). Stosowane są one powszech− nie w układach radiowych i telewizyjnych. W literaturze napotkasz też określenia: diody G unna, diody PIN, diody IMPA TT, dio− dy tunelowe czy diody waraktorowe. Są one stosowane w układach bardzo wielkiej czę− stotliwości, a amatorzy ich nie wykorzystują. Natomiast diody lawinowe (av alanche diode) nie są oddzielnym rodzajem diod. Najprościej biorąc, są to zwykłe diody, które trudniej uszkodzić – niektóre „zwykłe” diody prostownicze są diodami, gdzie zachodzi tzw. zjawisko lawinowe. U kład scalony Postęp techniki umożliwia umieszczenie na maleńkim płatku krzemu wielu tranzystorów, rezystorów, diod, a nawet małych kondensa− torów. Powstaje wtedy układ scalony. Układ scalony nie jest połączeniem miniaturowych wersji znanych Ci rezystorów i tranzystorów. Wyglądają one zupełnie inaczej. Wszystkie składowe układu scalonego są wykonywane w jednym cienkim płatku krzemu, a właści− wie w cienkiej warstwie z jednej strony płyt− ki krzemowej. Wytwarza się te niewątpliwe cuda techniki w skomplikowanych procesach technologicznych. Po co komu przekładnia? Typowy transformator składa się z dwóch uzwojeń, zawierających określoną liczbę zwojów. Jeśli jedno 70 K ondensator a prąd zmienny Zestaw układ według rysunku 12 a i fo− tografii 8 . Diody niezbyt silnie, ale jed− nak świecą. Jeśli chcesz, zwiększ pojem− ność, dodając dwa kondensatory według rysunku 12 b i fotografii 9 . Nie pomyl się przy łączeniu kondensatorów elek− trolitycznych – mają być połączone w szereg, przeciwsobnie. Jak zmieniła się jasność LED−ów? Inne diody Rys. 12 Okazuje się, że przy prądzie zmiennym kondensator zachowuje się jak rezystor. Płynie przezeń prąd. Dlaczego? Jeśli masz wątpliwości, odłącz jedną z diod LED. Druga nie będzie świecić. Dlaczego? Zapamiętaj raz na zawsze, że prze− pływ prądu w kondensatorze poleg a to na cyklicznym ładowaniu i rozładowa− niu (przypomnij sobie eksperymenty z wyprawy drugiej – A 2). W układzie z rysunku 12 odbywa się to z częstotli− wością sieci (50H z). G dy usuniesz jedną diodę, kondensator naładuje się, ale nie będzie się mógł rozładować. Choć kondensator wcale nie stał się rezystorem i nadal nie może przezeń pły− nąć prąd stały, dla prądu zmiennego przedstawia jakąś oporność. Nazywamy ją opornoś cią pozorną konde nsatora, inaczej re − aktancją poje m noś ciową . Jeśli ten przepływ prądu i ta pozorna oporność to wynik cyklicznego ładowa− nia i rozładowywania, nie− trudno się domyślić, że przy częstszych zmianach prąd byłby większy. A jeśli prąd byłby więk− szy, to pozorna oporność – mniejsza. Wynika z tego, że oporność pozorna (re− aktancja) kondensatora maleje ze wzro− stem częstotliwości. Choć nie będziemy tego sprawdzać eksperymentalnie, zapo− znaj się z informacjami na ten temat za− wartymi w TECH NIKA LIA CH . C zy wie sz, ż e ... mówimy o oporności pozornej, czyli reaktancji kondensatora dla prze− biegów zmiennych, ale określenie „rezy− stancja pozorna” jest nieprawidłowe. Nigdy tak nie mówimy. Fot. 8 Fot. 9 z uzwojeń zostanie dołączone do źródła sinusoidal− nego napięcia zmiennego, na drugim uzwojeniu po− jawi się przebieg sinusoidalny o napięciu... Rys. F N I K A L I A ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka Zapamiętaj, że o wartości napięcia wyjś− ciowego decyduje stosunek liczby zwojów uzwo− jeń pierwotnego i wtórnego. Stosunek ten to tak zwana prze kładnia transform atora. Występującą tu prostą zależność ilustruje rysune k F. Czy wiesz, że... T E C H Określenia: uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne są umowne. Wskazują tylko kierunek przekazywania energii: z obwo− du pierwotnego do wtórnego. Transforma− tor może równie dobrze pracować „w druga stronę”. 38 Elektronika dla Wszystkich 71 Ćwiczenie 9 A4 Cewka a prąd zmienny Zmierz omomierzem rezystancję uzwo− jenia pierwotnego transformatora uży− wanego zasilacza AC 12/300. Nie mu− sisz otwierać obudowy, zmierz rezystan− cję między bolcami według rysunku 13 . Rezystancja mojego egzemplarza wyno− si 964Ω. Uzwojenie to jest dołączone wprost do sieci energetycznej o napięciu 220V. Policzmy! Zgodnie z prawem Ohma przez uzwojenie popłynie prąd o wartości 220V/964Ω = 0,23A. Prąd 0,23A przy napięciu 220V oznacza, że chodzi o moc 50W. Moc 50W to dość duża moc – zauważ, jak grzeje się ża− rówka o mocy 60W czy nawet 40W. Coś tu nie gra! W naszym małym za− silaczu na pewno nie wydziela się 50 watów mocy. Nie sprawdzaj tego, wy− starczy, że ja sprawdziłem – bez obcią− Ćwiczenie 10 Ośla łączka żenia transformator zasilacza AC12/300 pobiera z sieci jedynie 12,6mA (0,0126A). Rys. 13 Gdzie tkwi błąd? Czy przy prądzie zmiennym prawo Ohma nie obowiązuje? Problem jest ciekawy i ważny. Prawo Ohma przy prądzie zmiennym obowiązuje. Prąd jest jednak mały, a to znaczy, że dla prądu zmiennego uzwoje− nie transformatora przedstawia duży opór. Rezystancja rzeczywiście wynosi 964Ω, ale pamiętaj, że rezystancja to opór mierzony przy prądzie stałym. Uzwojenie transformatora jest przecież rodzajem cewki i jak każda cewka ma ja− kąś indukcyjność. Okazuje się, że induk− cyjność dla prądu zmiennego stanowi dodatkowy opór. Analogicznie, jak w przypadku kondensatorów nazywamy go opornością pozorną cewki, a ściślej reaktancją indukcyjną. Nie daj się zmy− lić określeniu „pozorna”, pokutującemu do dziś ze względów historycznych. Ta oporność, reaktancja indukcyjna, istnieje naprawdę i właśnie ona powoduje, że prąd pobierany z sieci jest znikomy. To jeszcze nie koniec tematu, ale na razie nie będę Ci mieszał w głowie zagadnie− niem mocy przy prądzie zmiennym. Dioda Zenera Zestaw układ według rysunku 14 a i zmierz napięcie przewodzenia (UF) na diodzie Zenera. Jest takie, jak w zwykłej diodzie krzemowej. Jeśli jednak włączysz diodę Zenera „odwrotnie”, według rysunku 14 b, cze− ka Cię niespodzianka. Kontrolka LED zaświeci, czyli w obwodzie popłynie prąd. Jeśli masz woltomierz napięcia sta− łego, zmierz napięcie na diodzie (napię− cie wsteczne – UR). Wynosi tyle, co na− pięcie nominalne tej diody, z 10% tole− rancją. W zestawie elementów do tej wyprawy znajdziesz diodę Zenera 5,6V. Zmieniaj teraz wartość R1. Zastosuj wartości 220Ω i 10kΩ. Jasność diody LED wskazuje, że prąd zmienia się w bardzo szerokich granicach. A napię− cie na diodzie Zenera? Zmierz je wolto− mierzem i przekonaj się, że przy 50− krotnej, czyli 5000−procentowej zmianie prądu, zmienia się ono o drobne kilka procent. Podczas testów modelu pokaza− nego na fotografii 10 , bez diody LED, z diodą Zenera o napięciu 5,1V (C5V1) uzyskałem wyniki pokazane w tabeli. R1 U we U wy (U R) 220Ω 1kΩ 10kΩ 17,1V 18,6V 19,3V 5,27V 5,15V 5,02V Rys. 14 Czy wiesz, że... Nazwa „dioda Zenera” pocho− dzi od nazwiska jej wynalazcy, a na− zwiska, jak wiadomo, piszemy wielką literą. obciążony) nie powinien pobierać z sieci prądu. W rzeczywistości pobiera jakiś niewielki prąd. Po dołączeniu obciążenia, w idealnym przypadku, Rys. G Tylko bez oszukaństwa W elektronice wszystko działa zgodnie ze ścisłymi prawami fizyki. Już wiesz, że o napięciu wyjścio− wym transformatora decydują liczby zwojów, a właściwie ich stosunek. A co z prądami i z mocą? Idealny transformator w stanie jałowym (nie Elektronika dla Wszystkich Rys. H 39 TECHNIKALIA TECHNIKALIA Oczywiście są to napięcia transformatora nieob− ciążonego (w stanie jałowym) – nie uwzględnia− my tu spadków napięć na rezystancjach pod wpływem prądu. W przypadku transformatorów sieciowych przekładnia nas praktycznie nie interesuje. Nie in− teresuje nas też liczba zwojów (która wynika z właściwości rdzenia, a nie z napięć). Napięcie wejściowe to napięcie sieci energetycznej, wyno− szące około 220...230V. W katalogu szukamy nie przekładni, tylko wartości napięcia wyjściowego. A4 T E C H N I K A L I A E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z Ośla łączka Fotografia poniżej pokazuje kilka układów scalonych, głównie stabilizatorów. Podstawo− wym „budulcem” układów scalonych są wła− śnie tranzystory (bipolarne lub MOSFET−y). Układ scalony może też zawierać diody, re− zystory, niewielkie kondensatory, ale w mia− rę możliwości elementy te są zastępowane tranzystorami. Praktycznie niemożliwe jest wykonanie scalonych cewek (chyba że o zni− komo małej indukcyjności). Ty sprawdź napięcie UR w układzie z diodą LED według rysunku 14b. Jeśli chcesz, sprawdź dodatkowo, o ile zmieni się napięcie przy zmianach tem− peratury diody. Ogrzewaj diodę suszar− ką do włosów albo delikatnie lutowni− 72 cą. Przekonasz się, że zmiany napięcia pod wpływem zmian temperatury są niewielkie. Słusznie więc dioda Zenera nazywana jest diodą stabilizacyjną lub krótko stabilizatorem. Fot. 10 Fot. 7 moc pierwotna pobierana z sieci powinna być do− kładnie równa mocy wtórnej, oddawanej do obcią− żenia. Ilustruje to rysunek G . Możemy zapisać Pwe = Pwy Uwe*Iwe=Uwy*Iwy A jaka konkretnie jest jedna i druga moc? To zależy od obciążenia. Obciążenie decyduje o tym, jaka moc jest pobierana z sieci. Przy braku obciążenia moc pobierana z sieci powinna być równa zeru. Teraz chodzi nam jednak o coś innego. Jak wiesz, w transformatorze występują straty. Po− wodem są głównie rezystancja uzwojeń oraz tak zwane straty w rdzeniu. W rezultacie moc pobie− 40 Ćwiczenie 11 Zasilacz stabilizowany Proste zasilacze niestabilizowane, omówione w ćwiczeniu 4, są niedosko− nałe − napięcie zmniejsza się pod wpły− wem obciążenia i występują w nim tęt− nienia. Aby usunąć te wady, dodaje się układy stabilizujące napięcie wyjściowe. Na rysunku 15 znajdziesz schemat najprostszego stabilizatora, gdzie elemen− tem stabilizującym napięcie jest dioda Ze− nera. Zwróć uwagę, że dioda Zenera jest włączona w typowy dla niej sposób, czy− li... odwrotnie niż inne diody. Na margine− sie dodam, że właśnie ze względu na taki tryb pracy, niektórzy amatorzy stwarzają zamieszanie, używając nieprecyzyjnych określeń „plus diody” i „minus diody”. Zamiast nich należy używać określeń: anoda, katoda, a wtedy nie będzie proble− mu. Trzeba tylko pamiętać, że podczas normalnej pracy w diodach Zenera bar− dziej dodatnie napięcie występuje na kato− dzie, odwrotnie niż w innych diodach. Ze stabilizatora o schemacie z rysunku 15 nie można pobrać dużego prądu – ogra− niczeniem jest rezystancja R1. Wystarczy jednak dodać tranzystor(y) według rysun− ku 16 a lub 16 b, a wydajność prądowa bę− dzie większa. Napięcie wyjściowe jest o około 0,6V mniejsze, niż napięcie na dio− dzie Zenera. Dawniej stabilizatory o sche− macie z rysunku 15a wykorzystywano w praktyce, ale dziś mamy nieporównanie lepsze rozwiązania. Fotografia 11 pokazu− je model, zmontowany prowizorycznie we− dług rysunku 15b z diodą C5V1. B ez obcią− żenia napięcie wyjściowe wynosiło 4,9V. Z obciążeniem 10kΩ (0,5mA) − 4,74V, z obciążeniem 220Ω (20mA) – 4,64V, z ob− ciążeniem 10Ω (450mA) – 4,5V. rana (z sieci) jest zawsze trochę większa od mo− cy oddawanej do obciążenia. Część mocy jest tracona w transformatorze, oczywiście w postaci ciepła. Jakiego rzędu są to straty? Możesz przyjąć w przybliżeniu, że traci się około 10...15% mocy. Zwykle zamiast podawać ile tracimy, podajemy jaki procent mocy przechodzi do obciążenia. Oczywiście jest to stosunek mocy wyjściowej do wejściowej, Nazywamy go sprawnością, wyraża− my w procentach i zwykle oznaczamy małą grec− ką literką eta (η − eta). η = Pwy/Pwe Ilustruje to rysunek H. Tranzystor zamiast g rzejnika? Rys. 15 Dopuszczalna moc strat tranzystora jest zawsze dużo mniejsza od iloczynu maksymalnego prądu kolektora i maksymalnego napięcia kolektor−emiter. Przykłado− wo popularne tranzystory B C548, B C558 mają dopu− szczalną moc strat równą 500mW (0,5W). Taka moc wydzieli się na przykład wtedy, gdy napięcie kolektor− emiter wynosi 15V, a prąd kolektora wynosi 33mA. Zwróć uwagę, że dopuszczalny prąd kolektora tych tranzystorów wynosi 100mA, a maksymalne napięcie UCE0 wynosi 30V (ich iloczyn to 30V*0,1A=3W). Elektronika dla Wszystkich 73 A4 Ośla łączka Fot. 11 Ćwiczenie 12 Typowy zasilacz stabilizowany elementów do tej wyprawy (A04) znaj− dziesz element oznaczony 7805. Jest to tak zwany układ scalony – zawiera w środku kilkadziesiąt tranzystorów i re− zystorów − kompletny stabilizator. Jeśli tranzystor pracuje jako przełącznik, nawet przy prądzie i napięciu maksymalnym moc strat jest mała. Przykładowo w pierwszym układzie z rysun− ku J w stanie otwarcia tranzystora wydziela się w nim mniej niż 100mW. Prąd wynosi wprawdzie 100mA, ale napięcie w pełni otwartego (nasycone− go) tranzystora jest mniejsze niż 1V. Oczywiście w rezystorze wydziela się aż 3W mocy (100mA*30V). W stanie zatkania ani w tranzysto− rze, ani w rezystorze nie wydziela się moc, bo prąd kolektora jest równy zeru. Tranzystory mocy w obudowach TO−220 mają moc strat nawet do 125W (!), ale wszystko zależy od zastosowanego radiatora. Bez radiatora tranzy− stor mocy w tej popularnej obudowie TO−220 mo− że rozproszyć tylko 1,5...2W mocy. Straty mocy występują także na diodach, o czym armatorzy często zapominają. W zwykłej diodzie krzemowej napięcie przewodzenia wynosi przy ma− łych prądach 0,6V, ale przy większych 0,8V czy na− wet 1V. Oznacza to, że przy prądzie 3A na takiej zwykłej diodzie wydzieli się w postaci ciepła moc około 2,4...3W, co spowoduje silne grzanie. Lepiej jest z diodą Schottky’ego, w której przy tym samym prądzie będzie się wydzielać co najwyżej 1,5W mocy strat. Moc strat jest ściśle związana z temperaturą. W sumie chodzi o to, by nie przekroczyć temperatury około + 150oC, bo w wyższych temperatu− rach radykalnie rośnie ryzyko uszko− dzenia struktury półprzewodnikowej. Przy opisywaniu zależności ciepl− nych w elementach elektronicznych posługujemy się parametrem zwanym rezystancją termiczną, wyrażanym w stopniach Celsjusza na wat (oC/W) lub w kelwinach na wat (K/W) i ozna− czaną Rthja. Rezystancja termiczna wskazuje, na ile skutecznie ciepło jest odprowadzane z półprzewodnikowej Rys. J Elektronika dla Wszystkich Czy wiesz, że... Polski uczony, profesor Jan Czochralski (1885−1953), na początku X X wieku wynalazł metodę wytwarzania czystych (mono)kryształów krzemu, z których produkuje się układy scalone. struktury do otoczenia. Oczywiście, czym mniej− sza ta rezystancja, tym lepiej, bo w elemencie można wydzielić więcej mocy strat bez ryzyka przegrzania. Przykładowo rezystancja termiczna tranzystora BC548(558) wynosi 250K/W, podob− ny z wyglądu tranzystor BC328(338) ma rezystan− cję termiczną 200K/W, a tranzystor mocy (TO− 220) bez radiatora − około 60K/W. W przypadku tranzystorów mocy interesuje nas też rezystancja termiczna między złączem a obudową. Oznacza się ją Rthjc; dla tranzystorów w obudowach TO− 220 wynosi 1...1,5K/W. Przy obliczeniach trzeba dodać do niej rezystancję termiczną użytego radia− tora. Ten temat wykracza jednak poza ramy Oślej łączki i nie będziemy go rozwijać. Reaktancja pojemnościowa W trakcie poprzednich wypraw sprawdziliśmy, że kondensator gromadzi energię elektryczną i często w układach pełni rolę lokalnego, niewielkiego ma− gazynku energii. To jeden z obszarów zastosowań kondensatorów. Budowa i symbol kondensatora wskazują, że ze względu na obecność izolatora nie może przezeń pły− nąć prąd stały. Teraz, podczas ćwiczenia 8 okazało się, że przez kondensator może płynąć prąd zmienny. Przy prądzie zmiennym kondensator zacho− wuje się jak opornik o oporności zależnej od 85 TECHNIKALIA TECHNIKALIA TECHNIKALIA Na rysunku 17 znajdziesz schemat sta− bilizatora, powszechnie stosowanego w praktyce. Taką budowę ma zasilacz stabilizowany, którego używaliśmy na poprzednich wyprawach. W zestawie Istnieje nieprzeliczone mnóstwo typów i rodzajów układów scalonych, pełniących najróżniejsze zadania w komputerach, telewizo− rach, telefonach, itp. Właściwie cała współcze− sna elektronika, w tym także elektronika kom− puterowa, opiera się na układach scalonych. Układ scalony nie ma ustalonego symbo− lu. Na schematach stosuje się różne symbole, zwykle w postaci małych prostokątów. Stabilizatory używane w ćwiczeniach są elementami stosunkowo prostymi, zawierają− cymi kilkadziesiąt elementów. Rysunek na poprzedniej stronie pokazuje schemat we− wnętrzny układu LM317, a następny rysunek pokazuje w powiększeniu rozmieszczenie tych elementów na płytce krzemowej (która ma wymiary 2,38x 2,13mm). W jednej płytce krzemowej o powierzchni mniejszej niż cen− tymetr kwadratowy można umieścić dziesiąt− ki, setki, tysiące, a nawet miliony tranzysto− rów. Dwie długie, a wąskie fotografie na sa− mym dole poprzedniej strony pokazują frag− menty struktury układów scalonych firmy National Semiconductor. Nieco więcej wia− domości o układach scalonych podam Ci na następnej wyprawie. ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Rys. 16 A4 T E C H N I K A L I A E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z Ośla łączka Ź ró dła napięcia odniesienia Ć wiczenie 15 zapoznaje z elementami, które zachowują się jak dioda Zenera, ale znacznie lepiej stabilizują napięcie. Jak wskazuje na− zwa, dioda Zenera jest stosunkowo prostym elementem. Natomiast podzespoły oznaczo− ne LM385 i TL431 to układy scalone. Stąd ich znacznie lepsze właściwości. Oprócz obwodów regulacji napięcia za− wiera obwody dodatkowe, zabezpiecza− jące przed uszkodzeniem w przypadku zwarcia lub nadmiernego wzrostu tem− peratury. Więcej na temat układów sca− lonych szukaj w częściach ELEMEN− Tarz i TECHNIKALIA. Według rysunku 17 zbudujesz naj− prawdziwszy, porządny zasilacz stabili− zowany o napięciu wyjściowym 5V. Je− śli kupisz w sklepie stabilizator oznaczo− ny 7809, możesz zbudować zasilacz o napięciu wyjściowym 9V, z układem 7812 – o napięciu 12V. Fotografia 12 przedstawia prowizoryczny model ze stabilizatorem 12−woltowym, zbudowa− ny w najprostszy sposób. Koniecznie zbuduj układ według ry− 74 sunku 17, będziesz z niego korzystać. Zbadaj też jego właściwości. W zasila− czu z poprzedniego ćwiczenia, zbudo− wanym z pojedynczych elementów (czę− ściej mówimy – z elementów dyskret− nych), napięcie wyjściowe zauważalnie malało przy wzroście obciążenia. A na− pięcie wyjściowe zasilacza z układem scalonym 7805 przy dołączeniu rezysto− rów 10kΩ, 220Ω i 10Ω? Możesz dołączyć do wyjścia brzę− czyk piezo. Wyda czysty ton, bez śladu terkotu. Przekonasz się, że napięcie wyjściowe jest naprawdę stabilne i praktycznie się nie zmienia. Dopiero przy dużym prądzie nieco się zmniejszy, ale nie z winy stabilizatora, tylko zbyt małego transformatora. Rys. 17 Fot. 10 Choć są to układy scalone, ze względu na pełnioną rolę na schematach najczęściej oznaczamy je symbolem oznaczającym dio− dę Zenera. P owyższa fotografia pokazuje kilka układów scalonych, które są źródłami napięcia wzorcowego (odniesienia). Najważniejszym parametrem omawianych układów scalonych, obok napięcia nominal− nego, jest współczynnik cieplny. Informuje on, na ile napięcie zmienia się pod wpływem temperatury. Powszechnie dostępne układy LM385, TL431 czy LM336 mają współczyn− nik cieplny w granicach 100ppm/oC (0,01%/oC). Oznacza to, że przy zmianie tem− peratury otoczenia z +20oC do +30oC napięcie zmieni się tylko o 0,1%, czyli na przykład z 2,5000V na 2,5025V. W szczególnie precyzyjnych układach profesjonaliści stosują znacznie droższe źródła napięcia odniesienia o rewelacyj− nie małym współczynniku cieplnym rzę− du 1...3ppm/ oC. Tobie wystarczą popular− ne i tanie układy o współczynniku 100ppm/ oC. częstotliwości − czym większa częstotliwość, tym mniejsza oporność. Ponieważ jednak nie chodzi o rezystancję, oporność tę nazywa się reaktancją pojemnościo− wą i oznacza nie literą R, tylko XC. Czasem może spotkasz też określenie oporność bierna. Ze względów historycznych przy takich okazjach używano też określenia oporność pozorna. Nie bę− dziemy używać tego określenia, ponieważ słowo „pozorny” może wywołać mylne skojarzenia. Reaktancję pojemnościową wyrażamy w omach, bo jest to rodzaj oporności. Nie są to „jakieś inne omy”, trzeba tylko pa− miętać, że reaktancja to opór dla prądu przemien− 86 Fot. 12 nego o jakiejś częstotliwości. Reaktancji kondensatora nie można zmierzyć omomierzem, ale znając pojemność można ją ła− two obliczyć ze wzoru: 1 Xc = 2πfC Zamiast za każdym razem obliczać wartość wyrażenia 1/2π, można ją obliczyć raz, uzyskując wzór: 0,16 Xc = fC gdzie f częstotliwość w hercach, C pojemność w faradach, XC – reaktancja w omach. Kondensatory wykazują także ciekawą i poży− teczną właściwość: chwilowy prąd płynący przez kondensator (prąd ładowania lub rozładowania) jest ściśle związany z szybkością zmian napięcia na jego końcówkach. Wykorzystywane to jest do przeprowadzania operacji całkowania i różnicz− kowania − są to jednak zagadnienia dla bardziej zaawansowanych. Reaktancja indukcyjna Ć wiczenie 9 doprowadziło nas do wniosku, że uzwojenie cewki (transformatora, będącego odmianą cewki) stawia prądowi zmiennemu dodat− kowy opór. Jest to reaktancja indukcyjna. Elektronika dla Wszystkich 75 Ćwiczenie 13 A4 Ośla łączka Zasilacz regulowany W ramach tego ćwiczenia zbudujesz zasilacz stabilizowany z regula− cją napięcia wyjściowego. Wykorzystaj rysunek 18, pomocą będzie też fotografia 13. Tym razem wykorzystujemy inny bardzo popularny układ scalony o oznaczeniu LM317. Ma on inną budowę wewnętrzną i inny rozkład wyprowadzeń, niż układy rodziny 78XX. Pozwala dowolnie regulować napięcie wyjściowe za pomocą dwóch rezystorów. My jeden z rezysto− rów zastąpiliśmy potencjometrem, dzięki czemu możemy płynnie regu− lować napięcie. Możesz śmiało wykorzystywać taki zasilacz w prakty− ce. Model z fotogra− Rys. 18 fii zmontowany jest w najprostszy i nie− zbyt praktyczny spo− sób. Jeśli chcesz go wykorzystać, zmon− tuj go na kawałku płytki uniwersalnej lub w solidnym „pa− jąku”, przy czym sta− bilizator wyposaż w niewielki blaszany radiator. Ćwiczenie 14 Fot. 13 Źródła napięcia odniesienia. Regulowana dioda Zenera W zestawie elementów A04 znajdziesz też dwa bardzo interesujące elementy, zachowujące się podobnie jak dioda Zenera. W układzie z rysunku 19 sprawdź na ile zmienia się napięcie układu LM385− 2.5 przy zmianach prądu, czyli przy róż− nych wartościach R1 (220Ω, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ). I co? Rewelacja, prawda? Ja testowa− łem układ LM385 1,2V pokazany na fo− tografi 14 – przy zmianie rezystora z 1kΩ na 100kΩ prąd malał 100−krotnie, a napięcie zmniejszało się jedynie o 6mV. Zbuduj też „diodę Zenera” o regulo− wanym napięciu w oparciu o układ scalony TL431 według rysunku 20 i fo− tografii 15. Sprawdź, w jakich grani− cach możesz regulować potencjometrem „napięcie Zenera”. Pamiętaj, że do poprawnej pracy prąd „katody” układu Elektronika dla Wszystkich Sprawdź też koniecznie za pomocą woltomierza cyfrowego i suszarki do Rys. 19 Fot. 14 LX f 2 = π L Czy wiesz, że... Elektrycy i elektronicy opowiadają dowcip „wyjaśniający” wzrost oporności cewki dla przebiegów zmiennych. Według jed− nej wersji prąd zmienny zaplątuje się w zwo− jach cewki. Według innej „nie wyrabia się na zakrętach”. X L = 2 πfL ,6 f8 lub X L = 6,28 fL gdzie f częstotliwść w hercach, L indukcyjność w henrach, XL – reaktancja w omach. W praktyce rzadko korzystamy z tego wzoru. Nie będę Ci tego szczegółowo tłumaczył, ale zapamiętaj już teraz, że reaktancja indukcyjna jest w pewnym sensie odwrotna czy przeciwna w sto− sunku do reaktancji pojemnościowej. 87 TECHNIKALIA Oznaczamy ją XL. Dla prądu stałego, o którym można powiedzieć, że ma częstotliwość równą zeru, cewka ma opór równy rezystancji uzwoje− nia. Opór ten można zmierzyć omomierzem. Przy większych częstotliwościach dochodzi do tego opór związany z indukcyjnością cewki. Czym większa częstotliwość, tym większy opór (reaktancję indukcyjną) ma cewka. Reaktancji nie można zmierzyć omomierzem, ale można ją obliczyć ze wzoru TL431 nie może być mniejszy niż 1mA, ani większy niż 100mA. A4 Ośla łączka włosów, na ile napięcie w obu układach zmienia się z temperaturą. Stabilność jest dużo lepsza, niż w przypadku diody Ze− nera z ćwiczenia 10. Poznane elementy można stosować do budowy zasilaczy, jednak zazwyczaj wykorzystywane są do innych celów, zwłaszcza w aparaturze pomiarowej, właśnie jako źródła napięcia wzorcowe− go (odniesienia) 76 Rys. 20 Fot. 15 Piotr Gó recki Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW TECHNIKALIA TECHNIKALIA TECHNIKALIA TECHNIKALIA Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ oraz zasilacza A C 12/3 00 znajdują się na stronie 120. Dodawanie reaktancji Na pierwszej wyprawie przekonaliśmy się, że przy szeregowym połączeniu dwóch jednakowych rezy− storów rezystancja wypadkowa jest równa podwójnej wartości rezystancji każdego rezystora. Połączenie równoległe tych dwóch rezystorów da połowę rezystancji każdego z nich. A przy połączeniu w szereg cewki i kondensatora? O, to nie jest takie proste! Reaktancje zależą od częstotliwości: pojemnościowa maleje ze wzro− stem częstotliwości, indukcyjna rośnie. Pomyśl: dla jakiejś częstotliwości reaktancja pojemnościo− wa będzie liczbowo równa reaktancji indukcyjnej. Przypuśćmy, że jakaś cewka i jakiś kondensa− tor mają dla częstotliwości 100Hz reaktancje rów− ne 1,6kΩ (możesz obliczyć pojemność i indukcyj− ność, ale nie o to chodzi). Jeśli połączymy tę cew− kę i kondensator w szereg, to czy przy częstotliwo− ści 100Hz oporność będzie równa 3,2kΩ? Nie! Wypadkowa oporność będzie... bliska ze− ru i wyniesie ułamek oma (w praktyce będzie to re− zystancja cewki). Dlaczego? Reaktancje niejako się zniosą – wcze− śniej zasygnalizowałem, że reaktancje pojemnościo− wa i indukcyjna są w pewnym sensie przeciwne. A jak wobec tego zachowają się przy połącze− niu równoległym i przy częstotliwości 100Hz? Tym razem, o dziwo, wypadkowa oporność bę− dzie bardzo duża, rzędu wielu kiloomów. Może wyda Ci się to bardzo tajemnicze. Nie będziemy się jednak w to wgłębiać. Wspomnę tyl− ko, że właśnie omówiliśmy w ekspresowym tem− pie zjawisko tak zwanego rezonansu. W praktyce mamy do czynienia z rozmaitego rodzaju połączeniami rezystorów, cewek i konden− satorów. Przykłady pokazane są na rysunku K. Każdy z tych obwodów (dwójników) ma jakąś wy− padkową oporność. Oporność ta zależy od często− tliwości. Zamiast ogólnego określenia „oporność wypadkowa” używamy fachowego terminu impe− dancja, rzadziej: oporność zespolona. Wypadko− wa oporność przy szeregowym połączeniu rezysto− ra i kondensatora (cewki) nie jest zwykłą sumą R+XC (R+XL) Tym wątkiem też nie będziemy się bliżej zaj− mować. Na razie zapamiętaj, że impedancja to oporność wypadkowa dotycząca nie tylko prądu stałego, ale i zmiennego. Dlaczego obcina? Stabilizator nie może zwiększyć napięcia. On nie− jako obcina napięcie i z większego robi mniejsze o stabilnej wartości. Zauważ, że napięcie wyj− ściowe (każdego) stabilizatora musi być mniej− sze niż najmniejsze chwilowe napięcie na kon− densatorze filtrującym. Ilustruje to rysunek L, pokazujący napięcia bez obciążenia i przy znacznym obciążeniu (Imax). Gdyby prąd był większy niż Imax, napięcie UA spadnie jeszcze bardziej, tęt− nienia będą jeszcze większe i stabilizator nie będzie w stanie utrzymać właściwego napięcia wyjściowego. Na− pięcie wyjściowe zmniejszy się, i co gorsza, prze− stnie być „czystym” napięciem stałym − pojawią się w nim tętnienia. Aby stabilizator mógł pracować poprawnie, mu− si na nim występować określone napięcie (spadek napięcia) – na rysunku L jest to napięcie UABmin. Jedną z istotnych wad prostych stabilizatorów jest to, że do prawidłowego działania wymagają znaczne− go spadku napięcia między wejściem a wyjściem. In− aczej mówiąc, napięcie na obciążeniu musi być przy− najmniej o kilka woltów mniejsze od napięcia na kondensatorze filtrującym C1. Ma to ścisły związek z bardzo ważną wielkością: mocą strat w tranzystorze T1. Czym większe napięcie na stabilizatorze, tym większe straty mocy i potrzebny jest większy radiator. Stabilizatory scalony LM78xx i LM317 do pra− widłowej pracy wymagają spadku napięcia na stabili− zatorze rzędu 1...2V, zależnie od prądu obciążenia. Istnieją też specjalne stabilizatory, oznaczane LDO (z ang. Low Drop Out), pracujące poprawnie już przy spadku napięcia na stabilizatorze rzędu 0,1...0,3V. Pozwalają one lepiej wykorzystać możliwości transformatora. Rys. L Rys. K 88 Elektronika dla Wszystkich 77 A 4 O ś la łą c z ka Ć wic z en ie 1 5 przez ustawienie potencjometru P1 . G dy prą d wzroś nie i na rezystorach R 1 0 , R 1 1 napię cie b ę dzie rzę du 1 ,5 V , zaczną przewodzić tranzystory T 3 , T 4 . T ranzystor T 4 „ ś cią g nie na dó ł” koń − có wkę A D J stab ilizatora, czyli ob niż y napię cie na tej koń có wce i tym samym na wyjś ciu stab ilizatora, nie dopuszcza− ją c do dalszeg o wzrostu prą du. Prą d zo− stanie og raniczony do wartoś ci wyzna− czonej przez R 1 0 , R 1 1 . Przewidziano tu dwa rezystory, b y łatwiej dob rać po− trzeb ny prą d. Przewidziano też dodat− kowe rezystory R 1 2 ...R 1 5 , b y za pomo− cą trzypozycyjneg o przełą cznika moż na b yło wyb rać jeden z trzech zakresó w prą dowych. O b wó d T 5 , R 9 , D 7 pełni rolę kontrol− ki zasilania; jest też wstę pnym ob cią ż e− niem stab ilizatora, dzię ki czemu moż na ś miało zastosować potencjometr o war− toś ci 1 0 kΩ (zob acz T E CH NIK A L IA ). W nierozb ieralnych zestawach nie ma na to rady, ale w przypadku pojedynczych og niw warto db ać o kondycję wszystkich og niw, sprawdzać ich pojem− ność i eliminować najsłab sze. Ponadto w akumulatorach NiCd wystę puje cza− sem zjawisko zwane efektem pamię ciowym. A kumulator, z któ reg o nie pob iera się całeg o zg ro− madzoneg o ładunku niejako zapamię tuje ten fakt i zachowuje się tak, jakb y stracił pojemność . A b y zapo− b iec temu zjawisku, warto co jakiś czas naładować i w pełni rozładować akumulatory. W pełni rozładować , nie znaczy rozładować " do zera" , b o to jest szkodliwe, tylko do napię cia około 0 ,8 ..0 ,9 V na og niwo. S łuż ą do teg o proste układy zwane rozładowarkami. Nie tylko wyró wnują one właściwości poszczeg ó lnych og niw. K ilkakrotne naładowanie i kontrolne rozładowanie za pomocą rozładowarki pomag a przywró cić pojemność utraconą w zwią zku z efektem pamię ciowym U wag a! E fekt pamię ciowy wystę puje tylko w akumulatorach NiCd. W olne od nieg o są akumulato− ry NiM H , litowo−jonowe i kwasowe (zwykłe i ż elowe). Z as ilac z lab oratoryjn y Posiadana wiedza i umieję tnoś ci pozwo− lą Ci zb udować najprawdziwszy zasilacz lab oratoryjny z reg ulacją napię cia i ob − wodem og raniczania prą du. O b wó d og raniczania prą du przydaje się zwła− szcza podczas eksperymentó w, nie do− puszcza b owiem do nadmierneg o wzro− stu prą du nawet podczas jakiejś awarii czy pomyłki. S chemat ideowy pokazany jest na rysunku 21a. D o znaneg o z ć wiczenia 1 3 stab ilizatora L M 3 1 7 z rezystorem (R 8 ) i potencjometrem (P1 ) dodaliś my kilka poż ytecznych ob wodó w. T ranzy− story T 3 , T 4 oraz rezystory R 1 0 , R 1 1 tworzą ob wó d og ranicznika prą dowe− g o. G dy płyną cy przez ob cią ż enie prą d jest mały i wywołuje na rezystorach R 1 0 , R 1 1 spadek napię cia mniejszy niż 1 ,5 V , tranzystory T 3 , T 4 są zatkane i nie wpływają na pracę stab ilizatora. Napię cie wyjś ciowe wyznaczone jest O s c ylos kop − najważ niejszy przyrzą d pomiarowy M am nadzieję , ż e masz już jakiś multi− metr. T o b ardzo potrzeb ny, wrę cz niezb ę dny przyrzą d pomiarowy. J eszcze b ardziej przy− datnym przyrzą dem pomiarowym jest dla elektronika oscyloskop. T en przyrzą d pomia− rowy, wyposaż ony w ekran, umoż liwia po− miary napię ć stałych oraz zmiennych − ich amplitudy, kształtu, czę stotliwoś ci, okresu. Przy uż yciu mniej czy b ardziej skompliko− wanych przystawek moż na też mierzyć nim prą dy i wiele innych wielkoś ci. G eneralna zasada pracy oscyloskopu jest prosta. Na ekranie porusza się ś wiecą cy punkt, jasna plamka. W czasie normalnej pracy plamka ta przesuwa się po ekranie ru− chem jednostajnym (przy czym jej prę dkoś ć moż na ustawić dowolnie) z lewej strony ekranu do prawej. Potem b łyskawicznie, w drob nym ułamku sekundy wraca na lewą stronę , itd... J eś li prę dkoś ć ruchu plamki jest duż a, a proces ten się powtarza wiele razy na sekundę , nasze oko daje się oszukać i wi− dzimy nie poruszają cą się plamkę , tylko po− ziomą linię . K aż dy oscyloskop ma przynajmniej jed− no wejś cie. G łó wne wejś cie oscyloskopu oznaczone jest literą Y . Napię cie podane na to wejś cie odchyla plamkę w pionie, w g ó rę (dodatnie napię cie) lub w dó ł (ujemne). E L E M E N T arz E L E M E N T arz E L E M E N T arz E L E M E N T arz E L E M E N T arz Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronach 48 i 8 0. R ys . 2 1 a Popularne akumulatory NiCd w postaci pojedynczych og niw o napię ciu 1 ,2 V zwykle sprawiają swoim właścicielom sporo kłopotó w. Przyczyna zwią zana jest z ró ż ną pojemnością poszczeg ó lnych og niw. Podczas pracy połą czone są one w szereg . Najsłab sze og niwa rozładują się najszyb ciej i uniemoż liwią pracę lepszych og niw. G dy potem wszystkie og niwa włoż one są do ładowarki, te silniejsze mają jeszcze sporo energ ii i są niepotrzeb nie ładowane. Elektronika dla Wszystkich 37 T E C H N IK A L IA Pamiętliwe akumulatory A4 E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z E L E M E N Ta r z Ośla łączka Jeśli na wejście Y podamy napięcie stałe, pozioma linia po prostu przesunie się w górę lub w dół, zależnie od biegunowości i wiel− kości tego napięcia. Jeśli na wejście zostanie podane napięcie zmienne, na ekranie pojawi się obraz zmian napięcia w czasie. Większość oscyloskopów ma dwa wejścia i może jednocześnie rysować na ekranie dwa przebiegi. Są to oscyloskopy dwukanałowe. F o to g rafia 11 p o kazuje o sc ylo sko p d w uka− nało w y firm y ES CO R T, a nastę p na fo to − g rafia, ręczny, przenośny oscyloskop HPS5 firmy Velleman, oba dostępne w sieci han− dlowej AVT. Nie sposób w czasie jednej wyprawy przeka− zać wszystkich ważnych informacji o oscylo− skopie. Jeśli zdecydujesz się na zakup takiego niezmiernie po− żytecznego przy− rządu, przestu− diuj uważnie in− strukcję obsługi. potem używając go, stopniowo poznasz wszyst− kie jego tajniki. Nie zaszkodzi też spytać o szcze− góły bardziej do− świadczonych Fot. 12 elektroników. Fot. 11 Brzęczyk piezo Y1 pełni bardzo po− żyteczną funkcję i wskazuje, że z napię− ciem wyjściowym coś jest nie w porząd− ku. Odzywa się on podczas przeciążenia, gdy działa obwód ogranicznika prądo− wego oraz wtedy, gdy stabilizacja napię− cia wyjściowego jest niepewna lub 78 Fot. 16 w ogóle nie ma stabilizacji (przy nasta− wieniu dużej wartości napięcia wyjścio− wego, gdy transformator „nie daje sobie rady” i napięcie na nim się obniża). Brzęczyk podczas przeciążenia jest włą− czany przez tranzystor T3, natomiast przy braku stabilizacji przez tranzystor T2, a dodatkowo zaświeca się wtedy czerwona dioda D6 . W czasie normalnej pracy przewodzi tranzystor T1, na rezy− storze R1 występuje praktycznie całe napięcie zasilania i tranzystor T2 nie może włączyć brzęczyka i diody D6 . Elementy R2, R3, C2, D5 ustalają wa− runki pracy brzęczyka Y1, a dioda D5 nie ma nic wspólnego ze stabilizacją na− pięcia wyjściowego, tylko ogranicza na− pięcie na brzęczyku. Model pokazany na fotografii 16 zo− stał zmontowany na płytce drukowanej, zaprojektowanej specjalnie na potrzeby tego ćwiczenia. Trzypozycyjny przełącznik dołączo− ny do punktów K (środkowa końcówka przełącznika), L, M (skrajne końcówki) pozwala wybrać zakres prądu. W środ− kowym położeniu przełącznika wartość prądu wyznacza rezystor R10. Przy war− tości 47Ω maksymalny prąd użyteczny wynosi 10...20mA, a przy zwarciu prąd nie przekracza 30mA. Dołączenie rezy− storów R12 lub R14 zwiększa zakres do około 40...80mA i 200..400mA. Takie zakresy są optymalne przy zastosowaniu zasilacza AC12/300. Kto chciałby zmienić wartość prądu maksymalnego, może dowolnie zmie− niać wartości rezystorów R10...R15, pa− miętając, że przy większych prądach bę− dą się grzać i że stabilizator LM317 ma wewnętrzne obwody ograniczające prąd wyjściowy do 1...1,5A (dla pewności, nawet w układzie podstawowym małego pojedynczego rezystora 2,2Ω należałoby zastosować rezystor o mocy 1W lub cztery małe rezystory 2,2Ω połączone szeregowo−równolegle). Model został sfotografowany bez ra− diatora, ale do poprawnej pracy potrzeb− ny jest radiator, choćby w postaci kawał− ka aluminiowej blachy o powierzchni 80...100cm2. Płytka drukowana modelu pokazana jest na rysunku 21b. Bardziej wprawni mogą wykorzystać dużo mniejszą płytkę z rysunku 21c . Rys. 21b Rys. 21b 38 Elektronika dla Wszystkich 79 A4 Ośla łączka Ł ad owanie akumulatoró w N iC d . S tabilizator prąd u Na rynku można spotkać róż− ne rodzaje akumulatorów. Z a− sady ładowania poszczegól− nych rodzajów akumulatorów są różne. Akumulatory niklo− wo−kadmowe (NiCd) można ładować dużym prądem w krótkim czasie 1,5...3 go− Rys. 22 dzin, ale Ty na razie tego nie próbuj, bo jakakolwiek po− myłka skończy się uszkodze− niem akumulatora, a nawet wybuchem. Bez ryzyka prze− ładowania akumulatory NiCd ładuje się niewielkim prądem o niezmiennej wartości przez kilkanaście godzin. Ł adowarki można wyko− nać w różny sposób. W naj− prostszym przypadku wystar− czy wykorzystać prostownik mostkowy (nawet bez kon− densatora) i odpowiednio do− brany rezystor ograniczający prąd w układzie według ry− sunku 22. Gwiazdka przy re− zystorze wskazuje, że jego Fot. 17 wartość należy dobrać samo− dzielnie, by uzyskać potrzeb− ną wartość prądu. Układ taki można sto− sować do ładowania pojedynczych aku− mulatorków o napięciu 1,2V. Reguła jest prosta: podaną na akumu− latorze pojemność w miliamperogodzi− nach (mAh) trzeba podzielić przez 10 – wynik to natężenie prądu ładowania. Ta− kim prądem trzeba ładować ogniwo przez 14...16 godzin. Przykładowo dla akumu− latorków o pojemności 750mAh prąd ła− dowania powinien wynosić 75mA. Czy wiesz, ż e... wejście Y oscyloskopu zawsze do− łącza się do badanego obwodu równole− gle, podobnie jak woltomierz. Zasilacz laboratoryjny Fotografia 13 pokazuje fabryczny zasilacz laboratoryjny, dostępny w ofercie handlowej AVT. Taki zasilacz daje możliwość regulacji napięcia i prądu maksymalnego. Dodatkowo ma wskaźniki, pokazujące wartości napięcia i prądu. W praktyce, zwłaszcza podczas urucha− miania i konstruowania prototypów, bardzo przydatne są obwody nie pozwalające prze− kroczyć nastawionej wartości prądu, nawet w przypadku zwarcia. Pozwala to uchronić przed zniszczeniem zasilane układy. Do ładowania zestawów o wyższym napięciu warto zastosować tę samą regu− łę, ale inne rozwiązanie układowe, gdzie prąd ma dokładnie ustaloną wartość. Po− trzebne jest do tego jakieś ź ródło prądo− we. Można je zbudować w oparciu o sta− bilizator LM317 według rysunku 23 i fotografii 17 . Jeden jedyny rezystor wyznacza wartość prądu (I = 1,25V/R1). W razie potrzeby dodaj mały radiator z kawałka blachy. Fot. 13 Rys. 23 Ćwiczenie 17 Rozładowarka akumulatorków NiCd Po co komu rozładowarka? Odpowiedzi szukaj w TECHNIKALIACH (Pamiętli− w e ak u mu lato r y ). Jeśli korzystasz z pojedynczych aku− mulatorów NiCd o napięciu 1,2V, wyko− naj rozładowarkę − bardzo pożyteczny przyrząd, który przedłuży ich żywot− ność. Co kilka cykli pracy wszystkie akumulatory warto naładować i za po− mocą rozładowarki całkowicie opróżnić. Każde ogniwo należy rozładować od− Elektronika dla Wszystkich dzielnie. Można do tego wykorzystać kilka jednakowych układów o schema− cie z rysunku 24 i fotografii 18. Trzeba je dołączyć do ogniw i zostawić na czas nie krótszy niż 4 godziny, np. na noc. Ta− ka rozładowarka nie rozładuje akumula− torka do zera. Gdy napięcie akumulatora wynosi 1,2V, prąd rozładowania wynosi 240mA. Przy 1V jeszcze 150mA, przy 0,9V – 39mA, przy 0,8 tylko 4,1mA, a przy 0,65V mniej niż 0,2mA. Ze względu na znaczny prąd, tranzystor T3 nie może być typu BC548. Trzeba zasto− sować inny typ np. BC337 o prądzie ko− lektora 1000mA i mocy strat 800mW al− bo jakiś tranzystor mocy NPN. Jeśli ktoś chce zwiększyć prąd rozłado− wania, może dodać jeszcze jeden lub dwa rezystory 2,2Ω równolegle do R3, R4. W przypadku małego nierozbieralne− go zestawu kilku akumulatorów o napię− ciu 3,6V lub wyższym, do rozładowania 39 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ćwiczenie 16 A4 Ośla łączka można wykorzystać prościutki układ według rysunku 25. Tu sprawa jest odrobinę trudniejsza i trzeba odpowie− dnio ustawić potencjometr P1, który umożliwia ustawienie końcowego napię− cia rozładowania. Napięcie to powinno wynosić mniej więcej 0,8V/ogniwo, czyli około70% napięcia nominalnego akumulatora. Na rysunku pokazana jest 80 charakterystyka uzyskana z jednym rezystorem 2,2Ω, przy jakimś przypadko− wym ustawieniu potencjo− metru. Fotografia 19 po− kazuje prowizoryczny mo− del rozładowarki do zesta− wów o napięciu nominal− nym co najmniej 3,6V. Fot. 18 Rys. 24 Fot. 19 Rys. 25 Ćwiczenie 17 Ładowanie akumulatorów kwasowych . Zasilacz buf orowy Wypadkowa rezystancja rezystorów R3...R5 wyznacza prąd rozładowania, który z kolei powinien być proporcjo− nalny do pojemności zestawu. Przy za− stosowaniu jednego rezystora R3 (2,2Ω), prąd rozładowania jest odpo− wiedni dla akumulatorów o pojemnosci 150...300mAh. Z dwoma rezystorami R3 i R4 (po 2,2Ω) prąd jest odpowiedni dla akumulatorów o pojemnościach 250...600mAh. Z trzema rezystorami R3...R5 prąd jest odpowiedni dla aku− mulatorów o pojemności 450 ... 1000mA. Z akumulatorami o wyższych napięciach tranzystor T3 będzie się grzał i należy zastosować radiator w po− staci kawałka blachy. Bez radiatora tran− zystor mocy w obudowie TO−220 może rozproszyć tylko 1,5...2W mocy strat. Moc strat można obliczyć dość dokła− Rys. 26 Rys. 27 40 dnie, mnożąc napięcie na tranzystorze (Uaku−1,5V) przez prąd rozładowania. Przykładowo dla wspomnianego aku− mulatora 7,2V 600mAh przy prądzie rozła− dowania 200mA w tranzystorze T3 wydzie− li się moc około (7,2−1,5)* 0,2A= 1,14W. W zasadzie radiator nie jest konieczny, ale tranzystor będzie bardzo gorący i bę− dzie miał temperaturę ponad + 100oC. Warto więc dodać niewielki radiator. Elektronika dla Wszystkich 81 A4 Ośla łączka Duże akumulatory kwasowe (ołowiowe) zwykle ładuje się prądem o stałym natę− żeniu przez czas potrzebny do ładowania 120...130% pojemności nominalnej Do ładowania akumulatorów o napię− ciu 12V i pojemności rzędu kilkudziesię− ciu amperogodzin można wykorzystać sprawdzony w praktyce sposób z trans− formatorem bezpieczeństwa, żarówką i mostkiem prostowniczym według ry− sunku 26 . Transformator bezpieczeń− stwa ma napięcie wyjściowe 24V, ale 12−woltowemu akumulatorowi nic złego się nie stanie, bo żarówka ograniczy prąd i napięcie do bezpiecznej wartości. Prąd ładowania zależy od mocy użytej żarówki (40...200W). Oczywiście trzeba zastosować mostek prostowniczy o od− powiednio dużym prądzie. Małe akumulatory kwasowo−ołowio− we są powszechnie używane jako źródło zasilania rezerwowego w systemach alarmowych. Tu ich praca nie polega na cyklicznym ładowaniu i rozładowywa− niu, tylko pozostają one stale w stanie naładowania, gotowe w każdej chwili do działania. Nazywa się to pracą buforo− wą. W takim przypadku wykorzystuje się inny sposób ładowania. Akumulator dołącza się na stałe do zasilacza (stabili− zatora) o precyzyjnie dobranym napięciu wyjściowym. W warunkach domowych, gdzie zmiany temperatury są niewielkie (+15...+30oC), można wykorzystać pro− sty zasilacz według rysunku 27 z ukła− dem LM317 i dodatkową diodą D1, za− bezpieczającą przed rozładowaniem akumulatora w przypadku zaniku napię− cia sieci. Napięcie zasilacza należy usta− wić za pomocą potencjometru P1, by na wyjściu (za diodą, czyli na akumulato− rze) uzyskać 13,8...14,0V. Rezystor R4 decyduje o maksymalnym prądzie łado− wania. Dla prądu maksymalnego 0,5A, R4 powinien mieć wartość 1,2Ω. Ze względu na moc strat warto zastosować dwa połączone równolegle rezystory 2,2Ω. Układ LM317 powinien być wy− posażony w mały radiator. Wartość R4 można obliczyć ze wzoru R4 =0,6V/Imax . P iotr G ó recki Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronach 88 i 1 2 0. B B ib lio te c z k a P ra k ty k a I B L Stabilizatory scalone E C Z K A T ab. 2 Stabilizatory napięć ujemnych o ustalonym napięciu wyjściowym T T ab. 1 Stabilizatory napięć dodatnich o ustalonym napięciu wyjściowym O wowe parametry niektórych podane są w tabelach . W tabe− lach 1 i 2 podano między innymi maksymalne napięcie wej− ściowe, maksymalny prąd oraz prąd pobierany przez stabili− zator. W przypadku stabilizatorów regulowanych (tabele 3 i 4) podano napięcie maksymalne między wejściem a wyj− ściem oraz minimalny prąd obciążenia ILmin (przy mniej− szym prądzie obciążenia napięcie wyjściowe może być wy− ższe od wyznaczonego przez rezystory). Każdy elektronik powinien umieć wykorzystać scalone stabilizatory. Rysunki 1...4 pokazują typowe schematy apli− kacyjne tych układów oraz ich wygląd. Kondensatory C1, C2 powinny być umieszczone możliwie blisko stabilizatora, w odległości co najwyżej 5cm. Kondensator C1 może być jednocześnie kondensatorem filtru zasilacza. Jeśli jednak jest I Obecnie zdecydowanie najpopularniejsze są trzykońcówkowe stabilizatory rodzin 78X X , 79X X oraz kostki LM317 i LM337. Układy rodzin 78X X oraz 79X X mają fabrycznie ustalone na− pięcie wyjściowe − dwie ostatnie cyfry oznaczenia określają na− pięcie wyjściowe. Najczęściej używane stabilizatory to 7805 (5V), 7809 (9V) i 7812 (12V). Napięcie wyjściowe układów LM317 i LM337 nie jest fabrycznie ustalone. Układy te mają odmienną budowę, dzięki czemu za pomocą dwóch rezystorów można regulować napięcie wyjściowe w szerokich granicach, począwszy od 1,25V do kilkudziesięciu woltów. Oprócz tych najpopularniejszych układów, różni producen− ci oferują wiele innych typów o takim samym układzie wy− prowadzeń. Można je stosować wymiennie, mają jednak odmienne parametry, zwłaszcza wydajność prądową − podsta− P Imax A Prąd stab. mA M oc strat W Rthjc K /W T yp U wy V 78xx 78M xx 78L xx 78S xx 78T xx LM 2936 LM 340 T L 780 5 ...2 4 5 ...2 4 5 ...2 4 5 ...2 4 5 ...1 5 5 5 ...1 5 5 ...1 5 35 35 35 35 35 40 35 35 1 0 ,5 0 ,1 2 3 0 ,0 5 1 ,5 1 ,5 5 5 3 5 5 1 ,5 5 3 ,5 20 7,5 0 ,5 25 30 0 ,5 20 15 4 6 230 3 2 ,5 195 4 5 79 xx 79 M xx 79 L xx LM 2990 LM 320 LM 345 −5 ...−2 4 −5 ...−2 4 −5 ...−2 4 −5 ...−1 5 −5 ...−1 5 −5 U wemax V −2 5 −3 5 −3 0 −2 6 −2 5 −2 0 Imax A 1 0 ,5 0 ,1 1 1 ,5 3 Prąd stab mA 5 5 2 9 1 1 M oc strat W Rthjc K /W 15 7,5 0 ,5 20 15 25 5 6 1 80 2 ,5 4 2 K U wemax V A U wy V R T yp T Y K Elektronika dla Wszystkich Rys. 2 A Rys. 1 45 A4 Ośla łączka B I B L I O T E C Z K A Tab. 3 Stabilizatory napięć dodatnich o reg ulowanym napięciu wyjściowym Typ Uwy V LM317 LT317 LM317H V LM317M LM317L LM338 LT338 LM350 TL783 1,25...37 1,25...37 1,25...57 1,25...37 1,25...37 1,25...32 1,25...32 1,3...33 1,25...125 UIOmax V 40 40 60 40 40 35 35 35 125 Imax A IL min mA Moc strat W 1,5 1,5 1,5 0,5 0,1 5 5 3 0,7 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 15 20 20 20 7,5 0,6 25 25 25 20 Rthjc K/W 3 3 3 7 170 4 4 4 4 Tab. 4 Stabilizatory napięć ujemnych o reg ulowanym napięciu wyjściowym Typ Uwy V UIOmax V Imax A IL min mA Moc strat W LM337 LT337 LM337H V LM337M LM337L LM333 LT1033 −1,25...−37 −1,25...−37 −1,25...−47 −1,25...−37 −1,25...−37 −1,25...−32 −1,25...−32 −40 −40 −59 −40 −40 −35 −35 1,5 1,5 1,5 0,5 0,1 3 3 2,5 2,5 2,5 2,5 3,5 2,5 2,5 15 15 20 7,5 0,6 30 30 P R A K T Y K A Rys. 3 oddalony od układu scalonego więcej niż o 5cm, należy dodać niewielki kondensator blisko nóżek układu scalonego. Choć niektórzy amatorzy nie stosują kondensatorów pokazanych na rysunkach, warto je stosować i umieszczać blisko układu sca− lonego − kondensatory te zapobiegną przykrym niespodzian− kom (tak zwanemu samowzbudzeniu). Wzory, podane na ry− sunkach 3, 4, pozwolą obliczyć wstępnie wartość R2 w zależ− · B I B L I O T E C Z K A Rys. 5 82 Rthjc K/W 4 4 3 7 160 4 4 Rys. 4 ności od zastosowanej wartości R1 i potrzebnego napięcia wyjściowego Uwy. Aby precyzyjnie dobrać napięcie wyjścio− we, w miejsce R2 należy włączyć połączone szeregowo rezy− stor i potencjometr montażowy. Gdy potrzebne jest tylko jedno napięcie wyjściowe, można zastosować dowolny z wymienionych stabilizatorów − poka− zuje to w uproszczeniu rysunek 5, na którym nie zaznaczono kondensatorów. Jednak gdy potrzebne są napięcia o różnej biegunowości względem masy, trzeba zastosować pary stabi− lizatorów − dwa przykłady pokazane są na rysunku 6. Nie będę Cię wprowadzał w szczegóły, ale wiedz, że w przypadku stosowania układów LM317 oraz LM337 producenci zalecają na wszelki wypadek stosować rezystor R1 o wartości 130Ω. Jeśli stabilizator będzie zawsze obcią− żony i prąd pobierany z niego nie będzie mniejszy niż 10mA, wartość R1 można zwiększyć do 470Ω (220...680Ω) i wtedy do regulacji można wykorzy− stać potencjometr o popularnej wartości 10kΩ − tak też zro− biliśmy w ćwiczeniu 6 i 15. Wszystkie stabilizatory mają wewnętrzne zabezpieczenia, w tym termiczne, dzięki czemu trudno je uszkodzić. Aby jednak w pełni wykorzystać możliwości stabilizatorów w obudowach mocy TO−220, trzeba zastoso− wać radiatory. Zasilacz bezp rzerw ow y P R A K T Y K A Jeśli w jakimś układzie napięcie zasilające nie mo− że zaniknąć w razie awarii zasilacza, należy zasto− sować baterię rezerwową. Najprostszy sposób po− kazany jest na rysunku 7. Rys. 6 46 Rys. 7 Elektronika dla Wszystkich 83 A4 Akumulatory i baterie P R A K T Y K A Podczas ładowania akumulatora prąd płynie od "plusa" zasi− lacza (prostownika) do "plusa" akumulatora. Ilustruje to rysu− nek 8a. Odwrotne dołączenie akumulatora spowoduje prze− pływ dużego prądu i zwykle kończy się uszkodzeniem pro− stownika, dlatego rysunek 8b jest przekreślony. Można łączyć baterie i akumulatory szeregowo. Powinny to jednak być ogniwa jednakowego typu i o tej samej pojem− ności. Napięcie zespołu jest sumą napięć ogniw, a pojemność zestawu jest taka, jak pojemność pojedynczego ogniwa (ina− czej, niż przy szeregowym łączeniu kondensatorów). Nie zaleca się równoległego łączenia baterii i akumulato− rów. Teoretycznie przy równoległym połączeniu jednako− wych ogniw wypadkowa pojemność jest sumą pojemności ogniw. Gdy jednak poszczególne ogniwa będą mieć różne właściwości, może nastąpić przepływ dużego prądu między ogniwami i ich uszkodzenie lub choćby niepotrzebna strata części energii. uzwojeń da na wyjściu napięcie... równe zeru − ilustruje to rysunek 9b. Dotyczy to również tak zwanego podwajacza mostkowe− go. Prawidłowe połączenia pokazane są na rysunku 10 a. Przy niewłaściwym połączeniu uzwojeń układ będzie wpraw− dzie pracował, ale nastąpi prostowanie półokresowe. Ilustruje to rysunek 10 b. Prawidłowość połączeń można łatwo spraw− dzić za pomocą woltomierza napięcia zmiennego − napięcie między punktami A, C musi być równe sumie napięć między punkami A, B oraz B, C. Jeśli jest bliskie zeru, należy zamie− nić końcówki jednego z uzwojeń. Nie należy łączyć uzwojeń równolegle (rysunek 11a), bo nawet przy właściwym fazowaniu nieuniknione małe różnice napięć spowodują przepływ dużych prądów wyrównujących między uzwojeniami, co spowoduje grzanie transformatora i utratę mocy użytecznej. Jeśli z kilku uzwojeń trzeba uzyskać większy prąd i większą moc, można wykorzystać kilka jedna− kowych uzwojeń lub transformatorów, ale każde powinno pracować na oddzielny prostownik. Przykłady pokazane są na rysunkach 11b, 11c. B I B L I O T E C Z K A Należy pamiętać, że w tym prostym układzie prąd jest pobierany ze źródła, które w danej chwili ma wyższe napięcie. Aby uniknąć roz− ładowania baterii, napięcie wyjściowe stabilizatora musi być wyższe, niż napięcie świeżej baterii (które jest znacząco większe od napięcia nominalnego). Ośla łączka · Rys. 8 Ł ą czenie transf ormatoró w Uzwojenia wtórne transformatorów sieciowych można łą− Elektronika dla Wszystkich Rys. 10 Rys. 11 P R A K T Y K A czyć szeregowo. Choć występują na nich napięcia zmienne, trzeba zwracać uwagę na "bie− gunowość", nazywaną prawi− dłowo fazą. Dlatego na nie− których schematach wyróżnia się końcówki sąsiednich uzwo− jeń transformatora za pomocą kropek lub gwiazdek. Przy wła− ściwym fazowaniu napięcie wyjściowe jest sumą napięć obu uzwojeń − patrz rysunek 9a. Nieprawidłowe połączenie sze− regowe dwóch jednakowych B I B L I O T E C Z K A Rys. 9 47