Zdroje napájení pro domácí laboratoře

Podívejte se na první část článku zde: Napájecí zdroje pro elektronická zařízení

Z hlediska všeho, co bylo řečeno výše, se zdá být nejrozumnější a nejméně nákladný výroba napájecího zdroje transformátorů. Vhodný ready-made transformátor pro napájení polovodičových struktur lze vybrat ze starých magnetofonů, trubkových televizorů, tříprogramových reproduktorů a dalších zastaralých zařízení. Připravené síťové transformátory se prodávají na rádiových trzích a v internetových obchodech. Vždy můžete najít tu správnou možnost.

Externě je transformátor jádro ve tvaru W vyrobené z plechů speciální transformátorové oceli. Na jádru je plastový nebo kartonový rám, na kterém jsou umístěna vinutí. Desky jsou obvykle lakovány tak, aby mezi nimi nebyl elektrický kontakt. Tímto způsobem bojují proti vířivým proudům nebo proti proudu Foucault. Tyto proudy jen zahřívají jádro, je to jen ztráta.

Pro stejné účely je transformátorové železo vyrobeno z velkých krystalů, které jsou také navzájem izolované oxidovými filmy. U transformátorového železa velmi velkých velikostí jsou tyto krystaly viditelné pouhým okem. Pokud je takové železo řezáno střešními nůžkami, pak se řez podobá čepelce na kovovou pila, obsahuje malé hřebíček.

Transformátor v napájecím zdroji plní dvě funkce najednou. Zaprvé se jedná o pokles síťového napětí na požadovanou úroveň. Za druhé, zajišťuje galvanické oddělení od sítě: primární a sekundární vinutí nejsou vzájemně propojena, elektrický odpor je ideálně nekonečný. Spojení primárního a sekundárního vinutí se provádí střídavým magnetickým polem jádra vytvořeným primárním vinutím.

Zjednodušená konstrukce transformátoru

Při nákupu nebo samovinutí transformátoru byste se měli řídit následujícími parametry, které jsou vyjádřeny pouze čtyřmi vzorci.

První z nich lze nazvat zákonem transformace.

U1 / U2 = n1 / n2 (1),

Jednoduchý příklad. Protože se jedná pouze o síťový transformátor, bude napětí na primárním vinutí vždy 220V. Předpokládejme, že primární vinutí obsahuje 220 závitů a sekundární 22 závitů. Jedná se o poměrně velký transformátor, takže má několik otáček na jeden volt.

Pokud je na primární vinutí přivedeno napětí 220 V, vytvoří sekundární vinutí 22 V, což plně odpovídá transformačnímu koeficientu n1 / n2, což je v našem příkladu 10. Předpokládejme, že do sekundárního vinutí je zahrnuto zatížení, které spotřebovává přesně 1A proudu. Pak bude primární proud 0,1A, protože proudy jsou v inverzním poměru.

Příkon spotřebovaný vinutím: pro sekundární 22V * 1A = 22W a pro primární 220V * 0,1A = 22W. Tento výpočet ukazuje, že výkon primárního a sekundárního vinutí je stejný. Pokud existuje několik sekundárních vinutí, pak při výpočtu jejich síly byste ji měli přidat, bude to síla primárního vinutí.

Ze stejného vzorce vyplývá, že je velmi snadné určit počet otáček na volt: stačí navinout zkušební vinutí, například 10 otáček, změřit napětí na něm, vydělit výsledek 10. Počet otáček na volt hodně pomůže, když potřebujete navinout vinutí napětí. Je třeba poznamenat, že vinutí musí být navíjeno s určitým rozpětím, přičemž je třeba brát v úvahu "ochablé" napětí na samotných vinutích a na regulačních prvcích stabilizátorů. Pokud minimální napětí vyžaduje 12 V, může být vinutí jmenovité na 17 ... 18V. Stejné pravidlo je třeba dodržovat při nákupu hotového transformátoru.

Celkový výkon transformátoru se vypočte jako součet kapacit všech sekundárních vinutí, jak je popsáno výše. Na základě tohoto výpočtu si můžete vybrat vhodné jádro nebo spíše jeho oblast. Vzorec pro výběr hlavní oblasti:.

Zde S je plocha jádra v centimetrech čtverečních a P je celkový výkon zátěže ve wattech. Pro jádro ve tvaru W je oblastí průřez středové tyče, na které jsou umístěna vinutí, a v případě prstencového průřezu torus. Na základě vypočtené plochy jádra můžete vybrat vhodnou transformátorovou žehličku.

Vypočítaná hodnota by měla být zaokrouhlena na nejbližší větší standardní hodnotu. Všechny ostatní vypočtené hodnoty v procesu výpočtu jsou zaokrouhleny také nahoru. Pokud je předpokládaný výkon 37,5 wattů, pak je zaokrouhlen na 40 wattů.

Jakmile je známa oblast jádra, lze vypočítat počet závitů v primárním vinutí. Toto je třetí výpočetní vzorec.

Zde n1 je počet závitů primárního vinutí, U1 - 220V - napětí primárního vinutí, S je plocha jádra v centimetrech čtverečních. Zvláštní pozornost si zaslouží empirický koeficient 50, který se může v určitých mezích lišit.

Pokud je požadováno, aby transformátor nevstoupil do nasycení, nevytvářel zbytečné elektromagnetické rušení (zvláště důležité pro zařízení reprodukující zvuk), může být tento koeficient zvýšen na 60. V takovém případě se zvýší počet závitů vinutí, usnadní se provozní režim transformátoru, jádro již nebude moci vstoupit v nasycení. Hlavní věc je, že všechna vinutí zapadají.

Po stanovení výkonu transformátoru, výpočtu otáček a proudů vinutí, je čas určit průřez drátu vinutí. Předpokládá se, že vinutí jsou navinuta měděným drátem. Tento výpočet pomůže splnit vzorec:

Zde, mm, Ii A, průměr drátu a proud i-tého vinutí. Vypočítaný průměr drátu by měl být také zaokrouhlen na nejbližší větší standardní hodnotu.

To je vlastně celý zjednodušený výpočet síťového transformátoru, pro praktické účely dokonce dostačující. Je však třeba poznamenat, že tento výpočet je platný pouze pro síťové transformátory pracující na frekvenci 50 Hz. U transformátorů vyrobených na feritových jádrech a pracujících s vysokou frekvencí se výpočet provádí pomocí zcela odlišných vzorců, s výjimkou snad transformačního koeficientu podle vzorce 1.

Poté, co je transformátor navržen, vinutí nebo právě zakoupen ve správné velikosti, můžete začít vyrábět napájecí zdroj, bez kterého nemůže žádný obvod dělat.

Nestabilizované zdroje napájení

Nejjednodušší obvody jsou nestabilizované zdroje napájení. Používají se poměrně často v různých provedeních, což zjednodušuje obvod bez ovlivnění jeho funkčnosti. Například silný audio zesilovače nejčastěji jsou napájeny z nestabilizovaného zdroje, protože je téměř nemožné si všimnout ucha, že napájecí napětí se změnilo o 2 ... 3 volty. Rovněž není rozdíl v tom, jaké napětí bude relé fungovat: pokud by to fungovalo, a v budoucnu nebude hořet.

Nestabilizované napájecí zdroje jsou jednoduché, obvod je zobrazen na obrázku 1.

Na sekundární vinutí transformátoru je připojen usměrňovací můstek s diodami. Přestože existuje mnoho usměrňovacích obvodů, nejběžnějším je mostní obvod. Na můstkovém výstupu se získá pulsující napětí se zdvojnásobenou frekvencí sítě, což je typické pro všechny obvody polovodičových usměrňovačů (obrázek 2, křivka 1).

Takové zvlněné napětí není přirozeně vhodné pro napájení tranzistorových obvodů: představte si, jak bude zesilovač řvát s takovým výkonem! Pro vyhlazení zvlnění na přijatelnou hodnotu jsou na výstupu usměrňovače nainstalovány filtry (obrázek 2, křivka 2).V nejjednodušším případě to může být vysokokapacitní elektrolytický kondenzátor. Výše uvedené je znázorněno na obrázku 2.

Výpočet kapacity tohoto kondenzátoru je poměrně komplikovaný, proto je možné doporučit testované hodnoty v praxi: pro každý proud proudu v zátěži je vyžadována kapacita kondenzátoru 1000 ... 2000 μF. Nižší hodnota kapacity je platná pro případ, kdy se navrhuje použít stabilizátor napětí za usměrňovacím můstkem.

Jak se kapacita kondenzátoru zvyšuje, zvlnění (obrázek 2, křivka 2) se sníží, ale nezmizí vůbec. Pokud je zvlnění nepřijatelné, je nutné do napájecího obvodu zavést stabilizátory napětí.

Bipolární napájení

V případě, že je pro získání bipolárního napětí požadován zdroj, bude muset být obvod mírně změněn. Můstek zůstane stejný, ale sekundární vinutí transformátoru by mělo mít střed. Vyhlazení kondenzátorů budou již dva, každý pro svou vlastní polaritu. Takové schéma je znázorněno na obrázku 3.

Spojení sekundárních vinutí musí být v sérii - souhláska - začátek vinutí III je spojen s koncem vinutí II. Tečky označují zpravidla začátek vinutí. Pokud je průmyslový transformátor a všechny výstupy očíslovány, můžete dodržovat toto pravidlo: všechna lichá čísla terminálů jsou začátkem vinutí, resp. Sudých - konců. To znamená, že při sériovém připojení je nutné spojit sudý výstup jednoho vinutí s lichým výstupem jiného. Přirozeně v žádném případě nezkratujete nálezy jednoho vinutí, například 1 a 2.

Stabilizované zdroje napájení

Stabilizátory napětí jsou však často nezbytné. Nejjednodušší je parametrický stabilizátorkterý obsahuje pouze tři části. Po Zenerově diodě je nainstalován elektrolytický kondenzátor, jehož účelem je vyhladit zbývající pulzy. Jeho obvod je znázorněn na obrázku 4.

Obecně je tento kondenzátor nainstalován i na výstupu integrované stabilizátory napětí typu LM78XX. Vyžaduje to i technická specifikace (datový list) pro mikroobvodové stabilizátory.

Parametrický stabilizátor může v zátěži poskytnout až několik miliampérů proudu, v tomto případě asi dvacet. V obvodech elektronických zařízení se takový stabilizátor používá poměrně často. Stabilizační koeficient (poměr změny vstupního napětí v %% k výstupní změně, také v %%) takových stabilizátorů, zpravidla ne více než 2.

Pokud je parametrický stabilizátor doplněn emitor následovník, s pouhým jedním tranzistorem, jak je znázorněno na obrázku 5, budou možnosti parametrického stabilizátoru mnohem vyšší. Stabilizační koeficient těchto schémat dosahuje hodnoty 70.

S parametry uvedenými v diagramu a zátěžovým proudem 1A bude na tranzistor rozptýlen dostatečný výkon. Takový výkon se vypočítá takto: rozdíl napětí kolektor-emitor se vynásobí zátěžovým proudem. V tomto případě se jedná o proud kolektoru. (12V - 5V) * 1A = 7W. S takovou silou bude muset být tranzistor umístěn na chladič.

Výkon přidělený zátěži bude pouze 5V * 1A = 5W. Čísla uvedená na obrázku 5 jsou dostačující pro provedení takového výpočtu. Účinnost zdroje energie s takovým stabilizátorem se vstupním napětím 12 V je tedy pouze asi 40%. Chcete-li jej mírně zvýšit, můžete snížit vstupní napětí, ale ne méně než 8 voltů, jinak stabilizátor přestane fungovat.

Aby bylo možné sestavit regulátor napětí se zápornou polaritou, stačí v uvažovaném obvodu nahradit tranzistor vodivosti n-p-n vodivostí p-n-p, změnit polaritu zenerovy diody a vstupní napětí. Ale takové obvody se již staly anachronismem, v současné době se nepoužívají, byly nahrazeny integrovanými regulátory napětí.

Zdálo se, že stačilo dokončit uvažovaný obvod v integrované verzi a všechno by bylo v pořádku. Vývojáři však nezačali opakovat neefektivní schéma, jeho účinnost je příliš malá a stabilizace je nízká. Pro zvýšení stabilizačního koeficientu byla do moderních integrálních stabilizátorů zavedena negativní zpětná vazba.

Tyto stabilizátory byly vyvinuty na univerzálních operačních zesilovačích, zatímco návrhář obvodů a vývojář R. Widlar nenavrhoval integraci tohoto operačního zesilovače do stabilizátoru. Prvním stabilizátorem tohoto druhu byl legendární UA723, který při instalaci vyžadoval určitý počet dalších dílů.

Modernější verze integrálních stabilizátorů je Stabilizátory řady LM78XX pro napětí kladné polarity a LM79XX pro záporné hodnoty. V tomto označení 78 je to vlastně název mikroobvodového stabilizátoru, písmena LM před čísly se mohou lišit v závislosti na konkrétním výrobci. Místo písmen XX se vkládají čísla označující stabilizační napětí ve voltech: 05, 08, 12, 15 atd. Kromě stabilizace napětí mají mikroobvody ochranu před zkratem v zátěži a tepelnou ochranou. Přesně to, co je potřeba k vytvoření jednoduchého a spolehlivého laboratorního napájení.

Domácí elektronický průmysl vyrábí takové stabilizátory pod značkou KR142ENXX. Značky jsou však u nás vždy šifrovány, takže stabilizační napětí lze ve škole určit pouze odkazem nebo si je uložit jako básně. Všechny tyto stabilizátory mají pevnou hodnotu výstupního napětí. Typický schéma zapojení stabilizátorů řady 78XX je znázorněn na obrázku 6.

Lze je však také použít k vytváření regulovaných zdrojů. Příkladem je schéma znázorněné na obrázku 7.

Nevýhodou obvodu je, že regulace není od nuly, ale od 5 voltů, tj. z mikroobvodu se stabilizací napětí. Není jasné, proč jsou stabilizační vodiče číslovány jako 17, 8, 2, i když ve skutečnosti jsou pouze tři!

A Obrázek 9 ukazuje, jak sestavit nastavitelný zdroj napájení založený na původním buržoazním LM317, který lze použít jako laboratorní.

Pokud je vyžadován bipolární regulovaný zdroj, je nejjednodušší sestavit dva stejné stabilizátory do jednoho pouzdra a napájet je z různých vinutí transformátoru. V tomto případě vydejte výstup každého stabilizátoru na přední panel jednotky se samostatnými svorkami. Napětí bude možné jednoduše přepínat pomocí jumperů.

Boris Aladyshkin