Zdroje napětí (II) - teoretická základna
Druhá část základních informací k napěťovým zdrojům se týká jejich různých možností zapojení dle různorodých aplikací. V závěru se pak věnuje stabilizátorům napětí.
Zdroj záporného napětí
Častým požadavkem na napájecí zdroj je kromě hlavního kladného napětí získat i pomocný zdroj záporného napětí. Jeho odběr může být velmi malý (jednotky mA), slouží pro napájení OZ, A/D převodníků a dalších integrovaných obvodů, které někdy potřebují záporné předpětí (aby mohly zpracovávat napětí blízké nule). Známou aplikací je i konstrukce regulovatelného zdroje napětí s regulací od nuly.
K jeho realizaci není nezbytná odbočka na vinutí transformátoru, stačí nám zdvojovač napětí. Tvoří jej diody D1 a D2 a kondenzátory C2 a C3. Kapacity těchto kondenzátorů volíme 100 až 220 μF. Kladné napětí vytváříme běžným způsobem pomocí můstkového usměrňovače (viz obr. 1a).
Důležité upozornění: Proud v kladné větvi nesmí být menší než proud v záporné větvi, jinak začne napětí v kladné větvi vzrůstat.
Obrázek č. 2 - a/ zdroj záporného napětí; b/ magnetizační charakteristika síťového transformátoru
Spotřeba napájecích zdrojů v režimu naprázdno
Příkon transformátoru není nulový, když z něj neodebíráme žádný výkon. Primárním vinutím teče magnetizační proud, přemagnetováním jádra vznikají tepelné ztráty (jsou úměrné ploše hysterezní smyčky použitého materiálu). Můžeme se o tom velmi snadno přesvědčit. Starší typy nabíječek k mobilním telefonům (větší a těžší) se zahřívají i v režimu naprázdno. U nejmenších transformátorů je jejich ztrátový výkon zhruba 1 W. S rostoucím výkonem tento ztrátový výkon roste (ne lineárně, účinnost větších transformátorů je větší než účinnost menších transformátorů).
Tyto ztráty nám mohou ve srovnání s výkonem ostatních elektrospotřebičů připadat zanedbatelné. Pokud jsou tyto transformátory trvale zapojeny není tomu tak. Každý watt ztrátového výkonu nám zvýší roční spotřebu elektřiny o 8,76 kWh. Když tuto hodnotu vynásobíme cenou elektřiny a předpokládanou dobou života zařízení, zjistíme, že se nejedná o zanedbatelnou částku.
Řešením je náhrada klasických zdrojů spínanými zdroji. Jejich výroba je již ekonomická i pro nejmenší síťové adaptory. Tyto zdroje jsou také menší a lehčí, viz níže.
Pokud síťové spotřebiče (TVP) ovládáme dálkovým ovládání, musíme si uvědomit, že v nich jsou některé obvody trvale pod napětím a že je zde určité (i když velmi malé) riziko požáru. Měli bychom rozhodně vědět, jaký je odběr těchto zařízení v klidovém (Stand-by) režimu a kolik nás jejich provoz stojí.
Zdroje napětí s předřadnými kondenzátory
V některých aplikacích potřebujeme síťovým napětím napájet obvody s velmi malým odběrem proudu, například pro buzení optotriaků a napájení dalších obvodů s operačními zesilovači a s LED (okolo 10 mA).
Někdy použití síťového transformátoru není ekonomické (cena, trvalý odběr proudu v režimu naprázdno).
Kdybychom použili předřadný rezistor, byly by na něm zbytečné tepelné ztráty. Použijeme raději předřadný kondenzátor (C1). Jeho hlavní výhodou je, že na něm nevznikají tepelné ztráty. Vzniká pouze zanedbatelný jalový výkon kapacitního charakteru, který uživatelé neplatí a který nemají povinnost kompenzovat (kompenzovat se musí pouze velký indukční jalový výkon - velké motory).
Pro proud, který jím teče, platí přibližně vztah I = U/ Xc, kde Xc = 1/2 π f C
I = 2 π f C U (za předpokladu, že výstupní napětí zdroje je výrazně menší než síťové napětí) za f dosadíme 50 Hz, za U 230 V.
Následující tabulka udává maximální velikost proudu zátěže v závislosti na kapacitě předřadného kondenzátoru C1. Skutečný proud bude v tomto zapojení trochu menší.
| C1 (nF) | 100 | 220 | 330 | 470 | 680 |
|---|---|---|---|---|---|
| Imax (mA) | 7 | 15 | 23 | 33 | 49 |
Vidíme z ní, že tento obvod je použitelný pouze pro malý odběr proudu. Pro větší odběr proudu je lepší použít transformátor nebo spínaný zdroj.
Dále nesmíme zapomenout, že v tomto zapojení je zátěž galvanicky spojena se sítí. Případná záměna fázového a nulového vodiče by na zátěž přivedla fázové napětí. Tento zdroj nesmí být používán tam, kde by mohlo dojít k dotyku osob nebo zvířat s tímto napětím. Zdroj je potřeba napájet z pevného přívodu síťového napětí. U pohyblivých přívodů může při použití starších typů síťových rozdvojek k této záměně dojít.
Obrázek č.3 - Zdroj napětí s předřadným kondenzátorem
Stabilizátory napětí
Stabilizátor napětí je obvod, který zajišťuje, aby na výstupu zdroje bylo stále konstantní napětí bez ohledu na kolísání odběru proudu a na změny velikosti vstupního napětí. Můžeme si jej představit jako proměnný odpor, který nastavuje svoji velikost, aby na zátěži bylo konstantní napětí.
Na stabilizátoru vznikají tepelné ztráty, které vypočítáme podle vzorce Pztrát = (U1- U2) I2. Rozdíl vstupního a výstupního napětí nemá být proto příliš velký. Doporučuje se zhruba 5 V, minimálně 2 V.
Jako jednoduchý stabilizátor lze použít Zenerovu diodu, případně pro menší napětí křemíkovou nebo LED diodu. Zenerova dioda se při Zenerově napětí v závěrném směru otvírá (obr 4a) Jedná se o paralelní stabilizátor, dioda se dělí se zátěží o proud. Odebírá-i zátěž málo proudu, je pracovní bod diody v bodě P2. Pokud zátěž odebírá maximum proudu, je dioda v pracovním bodě P1. Předřadný rezistor zvolíme tak, abychom nepřekročili maximální proud diodou Iz max v režimu naprázdno a aby i při maximální zátěži bylo výstupní napětí konstantní (obr 4b).
Přidáním tranzistoru zvětšíme rozsah výstupního proudu tolikrát, kolik je proudový zesilovací činitel tranzistoru (obr.4c).
Tento jednoduchý sériový stabilizátor doplňujeme dalšími obvody. Potom obsahuje teplotně kompenzovaný zdroj referenčního napětí (na obr.4d Zenerova dioda). Výstupní napětí (upravené děličem R3 R2) se s tímto napětím porovnává. Odchylka je zesilována zesilovačem OZ a řídí výkonový tranzistor T1, který se otvírá nebo zavírá podle toho, jaké je na výstupu napětí.
Stabilizátory většinou tvoří jeden integrovaný obvod doplněný na výstupu filtračním kondenzátorem 100 nF (viz obr. 4e).
Obrázek č.4
Obrázek č.4
a/ voltampérová charakteristika Zenerovy diody
b/ stabilizátor napětí se Zenerovou diodou
c/ stabilizátor s tranzistorem
d/ princip integrovaných stabilizátorů napětí
e/ základní zapojení monolitického stabilizátoru kladných napětí
f/ zvětšení napětí monolitického stabilizátoru
g/ stabilizátor záporných napětí
Dnes máme k dispozici široký sortiment těchto obvodů s výstupním napětím 2, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 a 24 V a omezením proudu 0,15, 0,5, 1, 2 a 3 A. Stabilizátory záporných napětí se vyrábějí pro výstupní proudy -0,15 A a -1 A.
Všechny monolitické stabilizátory jsou vybaveny ochranou proti zkratu na výstupu a tepelnou pojistkou. Může je zničit pouze přepětí na vstupu (napětí větší než +35 V, u 24 V stabilizátoru +40 V) nebo přepětí na výstupu z cizího zdroje a pochopitelně přepólování napájení.
Výstupní napětí monolitického stabilizátoru zvýšíme, přidáme-li k jeho společnému vývodu (GND) Si diodu, Schottkyho diodu, LED nebo Zenerovu diodu. Výstupní napětí bude potom součtem prahového napětí této diody a jmenovitého napětí stabilizátoru.
Pro konstrukci regulovatelného napájecího zdroje se vyrábějí speciální stabilizátory. Následující schéma ukazuje konstrukci zdroje 0 až 30 V, 0,01 až 1 A s obvodem LM 317. Mezi vývody ADJ (společný vývod) a OUT je referenční napětí 1,25 V. Potom U2 = 1,25 (1 + R1/R2). Není-li hodnota R1 příliš vysoká, můžeme zanedbat proud procházející společným vývodem ADJ. Použitím potenciometru nebo trimru získáme proměnný zdroj napětí.
Abychom dosáhli regulace napětí od nuly, musíme na vývod ADJ přivést záporné napětí. To vytváří zdvojovač D5, D6, C3, C4. (Abychom nemuseli mít další vinutí transformátoru). Jeho velikost stabilizuje LED D8 na - 1, 8 V. K této hodnotě potom vztahujeme velikost výstupního napětí.
Proudovou pojistku a indikaci přetížení, kdy stabilizátor pracuje jako zdroj proudu, realizujeme pomocí T1 až T3.
Pokud záporné napětí vytvoříme pomocí zdvojovače, nesmí kladný zdroj zůstat nezatížen. Jinak by se na něm zvýšilo napětí. Proto je zde zapojen R7.
Na trhu existují i stabilizátory s vnitřní regulovatelnou proudovou pojistkou (L 200).
Obrázek č.5 - a/ Princip regulace napětí s obvodem LM 317; b/ Zdroj regulovatelného
napětí 0 až 30 V, 0,01 až 1 A