Przyrzdy pomiarowe - uniwersalne, do pomiaru napicia, prdu, opornoci, pojemnoci, wzmocnienia tranzystorw, sprawdzania diod, cigoci obwodw itp. W warsztacie kadego elektronika musi si znale miernik uniwersalny. Mierniki te, najprociej, dzielimy na wychyowe (analogowe) i cyfrowe. Rnice w budowie i zasadzie dziaania s znaczne, ale mierz te same wielkoci elektryczne.

Pomiar napicia - V - staego ( DC ) lub zmiennego ( AC ) - t wielko mierzymy woltomierzem. Przyrzd ( woltomierz ) wpinamy do ukadu, zawsze rwnolegle do elementu na ktrym mierzymy napicie. Przykady wczenia woltomierza przy pomiarze napicia staego i zmiennego pokazane s na rys. 1 i 2.

Pomiar prdu - A - staego ( DC ) lub zmiennego ( AC ) - t wielko mierzymy amperomierzem. Przyrzd ( amperomierz ) wpinamy do ukadu, zawsze szeregowo z elementem, przez ktry pynie mierzony prd. Przykady wczenia amperomierza przy pomiarze prdu staego i zmiennego pokazane s na rys. 3 i 4.

Pomiar rezystancji - W - t wielko mierzymy omomierzem. Pomiaru dokonujemy bezporednio na elemencie (rezystorze) - pamita naley, e pomiar rezystora wlutowanego w pytk razem z innymi elementami moe dawa wskazania odbiegajce od faktycznej wartoci (rys. 5).

Pomiar pojemnoci - C - t wielko mierzymy miernikiem pojemnoci. Pomiaru dokonujemy bezporednio na elemencie - kondensatorze (rys. 6)

Uwagi dotyczce przyrzdw pomiarowych: W praktyce amatorskiej, najczciej uywanym przyrzdem jest miernik uniwersalny (wychyowy) lub cyfrowy, czciej nazywany multimetrem. Sama nazwa wskazuje co moemy znale w obudowie z ustrojem lub wywietlaczem. Zazwyczaj taki miernik jest "kombajnem" wyposaonym w woltomierz, amperomierz, omomierz oraz dodatkowe "gadety" do pomiaru, pojemnoci, tranzystorw, czstotliwoci, temperatury i oczywicie buzzer. Obsuga tych miernikw nie jest skomplikowana, najczciej na obudowie zobaczymy: dwa lub cztery gniazda , przecznik zakresw, wskanik i ewentualnie dodatkowe gniazda do pomiaru kondensatorw, tranzystorw oraz temperatury. Informacje jakimi parametrami dysponuje nasz miernik, znajdziemy w instrukcji obsugi. Gorzej kiedy instrukcji nie posiadamy, wtedy musimy nasz przyrzd dokadnie obejrze i zorientowa si jakie parametry mierzy, jakie ma zakresy pomiarowe, do czego suy jakie pokrto i gniazdo itd. Generalnie naley przyj e nasz przyrzd mierzy:

Multimetry cyfrowe:

- napicia stae ( DC ) w zakresach 200mV, 2V, 20V, 200V , 1000V - napicie zmienne ( AC ) w zakresach 2V, 20V, 200V, 700V - prd stay ( DC ) w zakresach 2mA, 20mA, 200mA, 20A - prd zmienny ( AC ) w zakresach 200mA, 20A - oporno w zakresach 200W, 2kW, 20kW, 200kW, 2MW, 20MW, 200MW - pojemno w zakresach 2000pF, 20nF, 0,2F, 2F, 20F - wspczynnik wzmocnienia tranzystorw w zakresie od 0 do 1000 - temperatur w zakresie od 0 do 200 stopni C

Mierniki uniwersalne - wskazwkowe: - napicia stae ( DC ) w zakresie od 0 do 1000V - napicie zmienne ( AC ) w zakresie od 0 do 1000V - prd stay ( DC ) w zakresie od 0 do 500mA ( 10A ) - prd zmienny ( AC ) w zakresie od 0 do 3A ( 10A ) - oporno w zakresie 0W do 20MW - pojemno w zakresie 2nF do 2F

Istotna, jest wiedza jak oporno wejciow ma nasz miernik. I tak, mierniki wychyowe - uniwersalne o klasie dokadnoci pomiaru 1,5 ; 2,5 , dla napi staych, oporno wewntrzna wynosi 20kW - 100 kW/V , dla napi zmiennych rednio 1kW/V. Mierniki cyfrowe ( multimetry ) dla napi staych i zmiennych, oporno wejciowa wynosi ok. 10MW/V.

Jak dziaa woltomierz i amperomierz? W ostatnim czasie dostaem kilka pyta na moja skrzynk pocztow i wrd nich midzy innymi pytanie dotyczce rnicy w budowie pomidzy woltomierzem a amperomierzem. Niby banalne, a jednak bardzo istotne.

Zaczniemy od woltomierza. Jak ju wiemy ( a bd to powtarza do znudzenia ) woltomierz wpinamy do ukadu rwnolegle. Takie wczenie wynika z konstrukcji tego miernika (patrz rys. 7).

W podstawowy skad kadego woltomierza wchodz: amperomierz i opornik dodatkowy Rd - szeregowy. Amperomierz ( ustrj ) ma zazwyczaj ma oporno wewntrzn ( im mniejszy prd jest wymagany do penego wychylenia miernika, tym wiksza jest oporno cewki

ustroju - uywa si cieszego drutu do jej nawinicia ), aby wywoa jego pene wychylenie naley spowodowa przepyw prdu o wartoci maksymalnej dla danego typu ustroju np. 100uA. Przepywajcy prd, wytwarza pewien spadek napicia na cewce ustroju. Aby mona byo dokonywa pomiaru wikszych napi od wartoci spadku napicia na ustroju, musimy szeregowo z amperomierzem wczy opornik dodatkowy. Warto tego opornika musi by tak dobrana aby uzyska odpowiedni spadek umoliwiajcy pene wychylenie ustroju. Najprociej moemy to uj analizujc wzr:

gdzie:

- Rd - oporno opornika dodatkowego; - U1 - napicie mierzone; - Um - spadek napicia na ustroju; - I - prd amperomierza

Aby bardziej przybliy spraw zaoymy: - mamy miernik o prdzie I = 100A; - pene wychylenie - wytwarza spadek napicia na ustroju wynoszcy Um = 10mV;

- napicie mierzone U1 = 10V;

Rd = 10V - 10 mV/100A Rd = 9,99V/100A

Rd = 99,9 [kW]

A teraz amperomierz - wczamy go do ukadu zawsze szeregowo. Podstawowa konstrukcja zawiera w sobie dwa elementy, ustrj pomiarowy i opornik rwnolegy Rb, zwany potocznie bocznikiem. Ukad obrazuje rysunek 8. Zasada pracy opiera si na podstawowym prawie (I prawo Kirchhoffa) algebraicznej sumy prdw wypywajcych z wza i sumy prdw dopywajcych do wza ( patrz rys. 9).

Z rysunku jasno wynika e, przy pomiarze duych prdw, znacznie przekraczajcych warto prdu potrzebnego do wychylenia ustroju, znaczna jego cz musi przepywa przez opornik Rb.

Zilustrujemy to na przykadzie - zakadamy: - prd ustroju pomiarowego I1 = 100A; - prd pomiaru I = 0,5A;

I2 = I - I1 ; I2 = 0,5 [A] - 100 [A] ;

I2 = 0,499 [A]

Pozostaje jeszcze do omwienia zasada pomiaru prdu przez multimetry cyfrowe. Modzi adepci elektroniki zadadz pewnie pytanie w rodzaju: "...przecie tam nie ma ustroju pomiarowego, to jak rozdzieli si prd?" I tutaj dotykamy sedna pomiaru. Jak wiemy w wikszoci multimetrw operujemy napiciem na wejciu przetwornika pomiarowego np. popularnej kostki 7107 ( min. zakres napicia wejciowego to 200mV ). Jak zatem dokonywany jest pomiar prdu? Poprzez pomiar spadku napicia na opornikach dodatkowych. Prd wejciowy przetwornika jest tak may, e praktycznie pomijalny, jeeli do wejcia przetwornika dopniemy rwnolegle rezystor o znanej wartoci to przepywajcy przez niego prd wywoa na nim spadek napicia, ktry zmierzymy naszym przetwornikiem.

Wpyw opornoci wewntrznej miernikw na pomiary napicia i prdu Co to jest oporno wewntrzna przyrzdu? Jak ju wiemy, dokonujc pomiaru, nasz przyrzd wczamy do ukadu w cile okrelony sposb. W tym momencie musimy sobie zdawa spraw z tego, co nasz przyrzd spowoduje w dziaajcym urzdzeniu, problem ten dotyczy nie tylko miernika uniwersalnego ale te innych przyrzdw pomiarowych. I tu wanie pojawia si temat opornoci wewntrznej. Dokonujc pomiaru napicia staego, w zasadzie problem jakby znika w przypadku stosowania multimetru, gdzie oporno wejciowa wynosi np. 10MW/V, ale nie bez znaczenia jest kiedy stosujemy do pomiaru miernik

wychyowy, redniej klasy, i tutaj oporno wejciowa waha si w granicach od 1kW/V do 100kW/V.

W czym tkwi problem? Posumy si wirtualnym przykadem: mierzymy napicie midzy bramk tranzystora, a minusem zasilania jak na rys. 10.

Zakadamy, e R1 = R2 = 100kW i napicie zasilania wynosi 10V. Na "oko" wida, e napicie bramki powinno wynosi poow napicia zasilania, czyli 5V. Nasz miernik

(woltomierz) ustawiamy na zakres pomiaru 10V. Kiedy do pomiaru uyjemy miernika o opornoci wejciowej 10MW/V, to na zakresie pomiaru 10V, mamy oporno wejciow miernika okoo 100MW. Taka oporno w naszym przypadku nie spowoduje bdnych wskaza wynikajcych z rwnolegego poczenia miernika i rezystora R2 (ile wynosi wypadkowa oporno wynikajca z rwnolegego poczenia multimetru i rezystora R2, pozostawiam do samodzielnego wyliczenia - podpowied jak to zrobi znajdziesz tutaj ). Co innego, gdy do pomiaru zastosujemy miernik o opornoci wejciowej np. 10kW/V. Wtedy nasza oporno wypadkowa, wyniesie 50kW. Czy taka warto opornoci spowoduje bd pomiaru? , odpowied brzmi: tak, uzasadnijmy nasze rozumowanie opierajc si na przykadzie z rys. 10. Poniej jest ju wyprowadzony wzr na mierzone napicie ale jeli kto nie wie jak to wyliczy to warto sobie przypomnie co to takiego dzielnik napicia.

Dzielnik napicia jest ukadem, ktry jak sama nazwa ju sugeruje dzieli napicie doprowadzone do jego wejcia, czyli jest to ukad, ktrego napicie wyjciowe jest czci napicia wejciowego. Przykad dzielnika jest pokazany na rysunku, jak wida s to po prostu dwa rezystory poczone szeregowo. Napicie wejciowe doprowadzone jest do rezystorw R1 i R2, natomiast wyjciowe jest rwne spadkowi napicia na rezystorze R2. Napicie wyjciowe Uwy mona obliczy nastpujco: - przez oba rezystory pynie taki sam prd I (o ile wyjcie nie jest obcione jak rezystancj), czyli

- napicie na R2, czyli wyjciowe jest rwne

Rnica pomidzy napiciem faktycznym (5V), a zmierzonym wynosi, 1,7V !. Bd pomiaru 34%. Oczywicie, ten przykad ma na celu uzmysowi nam jakich wynikw moemy si spodziewa po pomiarach dokonanych miernikami o maej opornoci wewntrznej. Mgby kto powiedzie, mona przeczy przyrzd na wyszy zakres i wtedy jego oporno bdzie wiksza, zgoda, ale dokadno odczytu bdzie "mizerna". Starajmy si zawsze stosowa, do pomiaru napi, przyrzdy o jak najwikszej opornoci wewntrznej i pamitajmy, woltomierz wczamy do ukadu zawsze rwnolegle.

A jak si ma sprawa z pomiarem prdu? Wiemy ju e amperomierz wpinamy do ukadu zawsze szeregowo i ma on bardzo ma oporno wewntrzn, niemal pomijaln, rzdu uamkw oma. Pamitajmy, e nie bez znaczenia s przekroje przewodw pomiarowych,

wyobramy sobie cigy pomiar prdu 10A za pomoc naszych cieniutkich przewodzikw od miernika, po chwili bd gorce jak diabli e nie wspomn o spadku napicia na nich. A jak mierzymy prdy w ukadach elektronicznych np. naszych piknie zmontowanych pytkach drukowanych?, przecie nie zawsze moemy lub chcemy przerwa cieki na pytce, lub nawet fizycznie, nie mamy tego jak zrobi. Czy nie ma wyjcia z tej sytuacji? Jest, mierzymy spadki napi. Zilustrujemy to na przykadzie, rys. 11.

Zakadamy w naszym przykadzie: - napicie zasilania Uz = 10V; - rezystor emiterowy R4 = 82W

Chcemy zmierzy prd emitera tranzystora (prd ktry pynie przez R4) i jego prd bazy. Nasz woltomierz pokazuje napicie 2,5V ( spadek napicia na oporniku emiterowym ). Teraz wyliczamy prd emitera jaki pynie w naszym ukadzie, w praktyce jest on rwny prdowi kolektora:

Prosto, atwo i tylko odrobina liczenia. Wszystko adnie, a jak okreli prd bazy? Znamy ju prd emitera, a przecie mona przyj, e prd kolektora jest rwny prdowi emitera. Dlaczego wystarczy sobie przypomnie co jest napisane w dziale tranzystory. Musimy jeszcze zna warto b tranzystora (patrz: tranzystory). T warto mona uzyska z karty katalogowej dla danego tranzystora, mona te przyj np. warto b=100 (warto typowa dla tranzystorw maej mocy) lub jeli w naszym mierniku mamy moliwo pomiaru b tranzystora, czyli wspczynnika h21e to po prostu zmierzymy. Teraz ju idzie gadko, ze wzoru Ib = Ic / b (patrz: tranzystory) wyliczamy z grubsza nasz szukany prd bazy.

W praktyce spotykamy ukady w ktrych musimy dokona badania przebiegu sygnau, oscyloskopem, miernikiem czstotliwoci itd. Czy w tym przypadku mamy do czynienia z opornoci wewntrzn? Jak najbardziej, dla przykadu, przecitny oscyloskop ma oporno wejciow rzdu 1MW, a dodatkowo jeszcze dokada pojemno doprowadze. Wpyw tych dwch wielkoci ma ogromne znaczenie przy badaniu sygnaw w ukadach cyfrowych i urzdzeniach w.cz., powoduje czasem tak due znieksztacenie sygnau, e okrelenie ksztatu przebiegu jest praktycznie niemoliwe. W praktyce ratujemy si dodatkow sond pomiarow, ktra ma oporno wej. 10MW i wicej, oraz wprowadza minimalne obcienie pojemnociowe.

Czy zastanawiae si czasem nad tak rzecz, co si dzieje w ukadzie w sytuacji kiedy wzrasta temperatura otoczenia. Czsto opracowujc jaki ukad planujemy pooenie elementw w pobliu innego podzespou np. radiatora. Ciepo ktre pojawia si w czasie pracy urzdzenia ma ogromny wpyw na prac caoci, a najszybciej i najgorzej na zmiany temperatury, reaguj pprzewodniki. Dobrze zaprojektowany ukad daje sobie z tymi problemami rad ale s granice wytrzymaoci po przekroczeniu ktrych nastpi nieuchronnie katastrofa. Dlatego w trakcie planowania pooenia elementw na pytce trzeba o tym rwnie pomyle. Warto pomierzy temperatur w jakim ukadzie, jak nie multimetrem to termometrem, a ju wrcz naley zadba o to, aby w obudowie naszego urzdzenia by swobodny przepyw powietrza, szczeglnie w naszych zasilaczach warsztatowych. Dowiadczenie podpowiada nam, e wzrost temperatury jest wywoany wzrostem prdu pyncego przez dany element i odwrotnie, wzrost temperatury powoduje wzrost prdu.

Teraz troch, moe banalnych i czsto pomijalnych problemw ale czasami bardzo istotnych. Rzecz dotyczy pomiarw elementw, a raczej badanie ich wartoci. Zanim zaczniemy montowa jakie ukad, gromadzimy niezbdne elementy i dokonujemy ich pomiaru, sprawdzenia ( powinien to by nawyk kadego konstruktora ). Mao kiedy zastanawiamy si, jak wykonany jest np. rezystor wglowy, a jak drutowy, jak wykonany jest kondensator styrofleksowy, jak ceramiczny, a jak elektrolityczny, mao kiedy rwnie zastanawiamy si nad sposobem dokonywania pomiaru. Ale w trakcie badania danego elementu musimy si ju przez chwil nad tym zastanowi. Poniej omwimy sposoby pomiaru rnych elementw.

Pomiar opornoci

Wyobramy sobie e mamy do zbadania rezystor. Pomiar jego opornoci jest banalny, bierzemy omomierz, ustawiamy zakres np. 200kW i przykadamy kocwki przyrzdu do wyprowadze elementu. Naszym oczom ukazuje si jaka warto bardzo zbliona do 200kW, np. 199,5kW czy te 200,2kW. Zdarza si e, podczas pomiaru apiemy nasz rezystor za kocwki palcami w ktrych trzymamy ju kocwki przyrzdu, czy wtedy nasz przyrzd pokae warto 200kW?. Zapewniam, e pokae inn, a dlaczego? Bo "dokadamy" rwnolegle oporno naszego ciaa (patrz: elementy RLC). Rwnie podobny problem napotkacie przy pomiarze opornoci w zmontowanym ukadzie. W wikszoci przypadkw zmierzona warto nie bdzie odpowiadaa faktycznej wartoci opornoci gdy dokadaj si rwnolegle opornoci innych elementw ukadu. W takim przypadku jeli nie da si odczyta wartoci z kodu paskowego (patrz: kod paskowy), to najlepiej wylutowa jedn kocwk z ukadu i wtedy dokona pomiaru.

Pomiar pojemnoci Jak zmierzy pojemno kondensatora? Posumy si przykadem pomiaru kondensatora o pojemnoci powiedzmy 100pF. P biedy kiedy mamy multimetr i osobne gniazdo do pomiaru pojemnoci, chocia musimy wiedzie, e nasz wywietlacz wcale nie musi pokazywa rwne 100 ( pomijam tolerancje ), a moe jeszcze "dooy" par pF tzw. pojemno doprowadze. A co pocz kiedy nasz przyrzd nie ma miernika pojemnoci?

Wtedy stosujemy do badania omomierz. Przykadamy kocwki do wyprowadze kondensatora i widzimy, e na wskaniku nic, ani drgnie. Zadowoleni stwierdzamy, e nasz kondensator nie ma zwarcia, a co z pojemnoci? I na to jest rada. Pamitamy e kondensator nie przepuszcza prdu staego, ale przepuszcza prd zmienny przy okazji stanowic dla niego pewn oporno. Mamy rozwizanie, do pomiaru kondensatora zastosowa miliamperomierz prdu zmiennego i rdo napicia zmiennego, transformator (byle napicie tego rda nie byo wiksze od 24V - napicie bezpieczne), mona te zastosowa generator np. akustyczny, musi tylko mie odpowiednie napicie na wyjciu i ukad separujcy. Podpinamy nasz kondensator i miliamperomierz do rda napicia jak na rysunku 12.

Teraz odczytujemy, jaki prd pokazuje miliamperomierz. Pojemno obliczamy z wzoru zamieszczonego pod rysunkiem. Niestety, ta metoda nie zda egzaminu

przy maych pojemnociach, nie jest te polecana dla kondensatorw powietrznych i z oczywistych wzgldw elektrolitycznych. I uwaga, bdmy przytomni i zwracajmy uwag na jakie napicie pracy jest badany kondensator, aby go nie "zabi" ju w trakcie badania. Kondensator aduje si do wartoci maksymalnej napicia, czyli 1,41 (pierwiastek z 2) razy wikszej od wartoci skutecznej, ktr to warto zmierzy nasz woltomierz gdy bdziemy mierzyli napicie zmienne, musimy o tym pamita. May przykad - mamy ukad jak na rysunku 13.

Zakadamy: - U1 = 20V (zmierzona warto skuteczna); - prostownik zoony z diod krzemowych, czyli spadek napicia na diodach ok. 1,5V (dlaczego? - zobacz tutaj);

Teraz liczymy:

- napicie po prostowniku, bez kondensatora C1, U2 = U1 - 1,5 [V] = 20 - 1,5 = 18,5 [V];

- po podpiciu kondensatora, napicie U2 zmieni si U2 = 1,41 18,5 = 26 [V] Jak na "patelni" wida na jakie napicie pracy musimy zastosowa nasz kondensator.

I jeszcze drobne uwagi dotyczce kondensatorw: 1. kondensator zmienia pojemno wraz ze zmian temperatury; 2. kondensator elektrolityczny musi mie waciw polaryzacje napicia; 3. nie wolno rozadowywa kondensatorw o duej pojemnoci metod zwarcia kocwek, naley tego dokonywa za pomoc waciwego rezystora np. 100W/2W; 4. nie stosowa w torze sygnau m.cz. kondensatorw ceramicznych i odwrotnie, w torach sygnaw w.cz. kondensatorw zwijanych; 5. kondensator dla napicia zmiennego stanowi oporno czynn czyli tzw. reaktancje, zalen od czstotliwoci napicia; 6. przy poczeniu kondensatorw szeregowo, pojemno wypadkowa jest mniejsza od najmniejszej pojemnoci zastosowanego w poczeniu kondensatora ; 7. przy poczeniu rwnolegym pojemno wypadkowa jest rwna sumie pojemnoci poszczeglnych kondensatorw;

Pomiar diody

Co jeszcze mamy do badania? nasze ulubione pprzewodniki. Zaczniemy od diody - wicej na temat diody znajdziesz tutaj. Wiadomo e dioda jest elementem prostowniczym dla prdu zmiennego. Najczciej sprawdzenia jej dokonujemy omomierzem mierzc oporno zcza w obu kierunkach jak na rys. 14.

Raz mamy ma oporno, a raz du. I wszystko gra, dioda jest dobra i moemy miao j zastosowa. Inaczej sprawa wyglda gdy mamy ju gotowy ukad a dioda jest wlutowana i nie za bardzo chce si nam j wylutowywa. Wtedy zaczynamy mierzy spadek napicia na diodzie. Pamitamy e na zczu diody krzemowej wystpuje spadek napicia ok. 0,5 do 0,7V , a na diodzie germanowej 0,2 do 0,5V. Z reguy zakadamy 0,7V Si oraz 0,2V Ge. Ale s przypadki ( pomijam diody Zenera ) kiedy pomiar spadku napicia daje inne wyniki. Dla przykadu, badamy mostek prostowniczy w ukadzie Gretza, wiadomo e w trakcie pokresu napicia zmiennego w procesie prostowania prdu, pracuj dwie diody szeregowo, czyli sumarycznie, nasz spadek napicia na diodach powinien wynosi ok. 1,5V, a wynosi np. 2V i w dodatku wszystko dziaa. Gdzie tkwi problem? wszystko zaley od prdu jaki pynie przez diody. Wraz ze zmianami prdu, zmienia si rwnie oporno zcza diody i std zmienia si te spadek napicia na diodzie.

Pomiar tranzystorw Najprostsza i zarazem najpopularniejsza metod badania tranzystora jest sprawdzanie opornoci zcz za pomoc omomierza. Sama metoda ma zalety i wady. Zalety to, szybkie zorientowanie si o poprawnoci zcz, okrelenie typu przewodnoci i moliwo, orientacyjnego, pomiaru w ukadzie. Wady, brak 100% pewnoci e tranzystor jest naprawd

dobry, niemono okrelenia poprawnoci zcza tranzystorw wysokonapiciowych brak moliwoci okrelenia wspczynnika h21e. Badanie omomierzem przebiega w okrelony sposb i dokadnie pokazuje to rys. 15 i tabelka.

Tabelka

K E B NPN PNP

+ - dua dua - + dua dua + - dua maa - + maa dua - + maa dua + - dua maa

Podobnie moemy bada tranzystory polowe. Rzecz jest troch prostsza bo omomierz podpinamy do zcz D - dren, S - rdo (A) i dotykamy palcem bramki G tranzystora (B) rys. 16.

Omomierz powinien wskazywa spadek opornoci zcza. Pamitajmy przy okazji o bardzo wanej rzeczy, adunek elektrostatyczny, "pasaer" wdrujcy na nas ( moe osiga warto kilku kV ) bardzo lubi gdzie "ucieka" do miejsc o niszym potencjale, w momencie sprawdzania tranzystora ma wprost wymarzone warunki ku temu aby przeskoczy do bramki tranzystora. Skutek bdzie tragiczny dla tranzystora, praktycznie moemy go ju wyrzuci do mieci. Wniosek: ta metoda nie jest najlepsza.

Pomiar bezpiecznikw Bezpiecznik, prosty element, zawsze skazany na zagad, ktrego jedynym celem w yciu jest przepali si. Naley wiedzie, e bezpiecznik ulegnie przepaleniu, kiedy ju prd przez niego

przepynie! nigdy wczeniej. Wystpuj jako bezpieczniki zwoczne i bezzwoczne. Najczciej spotykane, s bezpieczniki topikowe w szklanej rurce, bezpieczniki wykonane w formie rezystorw i elementw pprzewodnikowych, bezpieczniki termiczne oraz bezpieczniki polimerowe. Bezpieczniki zawsze powinnimy sprawdza omomierzem, a nie zestawem bateria + arwka (chyba, e te o prdach kilkanacie lub kilkadziesit amper, ale to ju nie jest elektronika). Stosujemy bezpieczniki wszdzie tam gdzie musi zosta wymuszone przerwanie obwodu prdu z powodu zwarcia lub przekroczenia krytycznie jego wartoci. Przede wszystkim maj one na celu "ochron naszych kieszeni" przed dodatkowymi wydatkami (lub te stosowanie ich wymuszone jest odpowiedni norm dla danych urzdze), dla przykadu cena bezpiecznika to ok. 0,5 z podczas gdy cena np. transformatora to przecitnie ok. 20z. Jakiego typu stosujemy bezpieczniki, to zaley od ukadu, bezzwoczne wszdzie tam gdzie pobr prdu jest mniej wicej stay na rednim poziomie i musz one pewnie i szybko zadziaa w momencie gwatownego wzrostu prdu. Zwoczne w ukadach, gdzie w momencie rozruchu wystpuje gwatowny pobr prdu, a nastpnie prd maleje (np. w obwodzie uzwojenia pierwotnego transformatorw duej mocy, autotransformatorw czy silnikw). Bezpieczniki pprzewodnikowe w ukadach o maym ale bardzo szybkim, impulsowym poborze prdu, gdzie prd narasta do bardzo duej wartoci w bardzo krtkim czasie (np. takie bezpieczniki s stosowane w dyskach twardych komputerw), zalet ich jest to, e s mae gabarytowo i bardzo szybko dziaajce. Wreszcie bezpieczniki termiczne, te maja na celu ochron urzdzenia np. transformatora w przypadku wzrostu jego temperatury. Bezpieczniki rezystorowe o maej opornoci rzdu 1 - 3W, ale odpowiednio wykonane, te stosujemy w ukadach jako zwoczne i tanie elementy zabezpieczajce, np. w zasilaczach komputerowych. Mona je atwo montowa (lutujemy je jak oporniki) w przeciwiestwie do bezpiecznikw topikowych i moemy ich zastosowa kilka w rnych miejscach ukadu. Bezpieczniki polimerowe, szybkie elementy o maym zakresie prdw, tanie i atwo adoptowane do delikatnych ukadw elektronicznych, niestety w wikszoci pracujce przy niskich napiciach rzdu 30 do 60V. Musimy sobie uwiadomi, e przepalenie bezpiecznika to nic innego jak przerwanie drucika pod wpywem wzrostu jego temperatury na wskutek przepywu prdu. Czsto na bezpieczniku widzimy napis np. 1A/250V. Co on oznacza?, e bezpiecznik zadziaa przy prdzie powyej 1A ale niezawodnie przy napiciu 250V. Reasumujc, musimy stosowa i wybiera bezpieczniki bardzo dokadnie aby mogy one pewnie i waciwie zadziaa. Miejmy na uwadze, e w momencie przepalenia bezpiecznika, pojawia si w rurce uk elektryczny ktry te trwa jaki czas.

Pomiar transformatorw Teraz zajmiemy si przez chwilk transformatorami. Jest to element niezastpiony i sprawiajcy czsto wiele problemw, pomijam te mechaniczne. Pierwszy, to gdzie i jakie uzwojenie jest wyprowadzone na kocwki? Drugi i podstawowy, jakie napicia daje nasz transformator? Trzeci, jak ma moc? Czwarty jaki prd mona z niego pobra? Ad.1 - na wstpie naley dokadnie ogldn transformator i z grubsza okreli gdzie ma kocwki. Teraz bierzemy omomierz i badamy pomidzy ktrymi kocwkami jest pokazywana oporno uzwoje, jednym sowem znajdujemy obwody. Wiemy, e uzwojenia pierwotne oraz wtrne anodowe, maj due opornoci rzdu od kilkudziesiciu W do kilku kW z racji duej iloci zwojw, maej rednicy drutu, wymuszonych przez moc transformatora. Moe wydawa si niektrym kolegom dziwne, ale transformatory o maej mocy maj due opornoci uzwoje. Uzwojenia wtrne, nisko napiciowe maja mae opornoci, w zalenoci od iloci zwojw i rednicy drutu, od kilku W do kilku dziesiciu W. Ad.2 - majc rozpoznane wyprowadzenia uzwoje, moemy podczy nasz transformator do napicia zmiennego. Wymarzonym sposobem i zarazem bezpiecznym, jest podczenia przez

autotransformator lub trafo separujce. Po podczeniu, badamy woltomierzem napicia zmiennego, napicia na poszczeglnych uzwojeniach. Ad.3 - moc mona okreli, w przyblieniu, na podstawie wyliczenia przekroju rdzenia z wzoru:

P = 0,69S2

P - moc transformatora w [W] ; S - przekrj rdzenia [cm2] Ad.4 - prd jaki moemy pobra z naszego transformatora wstpnie mona okreli na podstawie gruboci, przekroju drutu jakim nawinite jest uzwojenie. Niezbdne s w tym przypadku tablice z parametrami drutw nawojowych. Kilka uwag o ktrych nie powinnimy zapomina. Transformator jest elementem indukcyjnym. Pracuje tylko po podczeniu do prdu zmiennego. Jest rdem zakce spowodowanych zmiennym polem magnetycznym, dlatego trzeba bardzo starannie wybiera miejsce i sposb jego umiejscowienia w urzdzeniu. Uzwojenia mona czy szeregowo i rwnolegle ale o takich samych prdach i przekrojach. czymy uzwojenia wg. zasady pocztek z kocem - szeregowo lub pocztek z pocztkiem, koniec z kocem - rwnolegle. Zamiana kierunku uzwoje spowoduje zniesienie si napi w uzwojeniach. Zawsze stosujmy bezpiecznik po stronie pierwotnej transformatora. Starac si nie dopuszczac do grzania transformatora, na skutek przecienia. I najwaniejsze, transformator jest elementem do ktrego powinnimy podchodzi z du ostronoci i uwag, ze wzgldu na pojawienie si napi niebezpiecznych dla naszego zdrowia i ycia.

CZ 2. Dwie najwaniejsze wielkoci, ktrych zachowanie w ukadach elektronicznych poddawane jest obserwacji i analizie to napicie U oraz prd I. Napicie midzy dwoma punktami jest to wydatek energii (wykonana praca), konieczny do przeniesienia jednostkowego adunku dodatniego z punktu o niszym potencjale (bardziej ujemnym) do punktu o wyszym potencjale (bardziej dodatnim). Jednostk miary napicia jest 1V (wolt). Mona wic powiedzie, e aby adunek jednego kulomba pokona rnic potencjaw jednego wolta, naley wykona prac jednego dula. Napicie oznaczane jest zwykle symbolem U. Napicie midzy punktami A i B jest oznaczane jako UAB. Ju dawno uzgodniono, e napicie UAB jest dodatnie, gdy punkt A jest dodatni wzgldem punktu B, a UAB jest ujemne, gdy punkt A jest ujemny wzgldem punktu B. Obowizuje rwnie nastpujca zaleno UAB = -UBA.

Dla przykadu (rys. 1.1) zapis napicia pomidzy baz, a emiterem tranzystora typu PNP (o tym w dziale tranzystory):

UBE = -0,7V lub -UBE = 0,7V lub UEB = 0,7V

oznacza, e midzy punktem E i B wystpuje napicie 0,7V, a punkt E ma wyszy potencja (jest bardziej dodatni) ni punkt B.

Czsto uywa si okrelenia "napicie w danym punkcie ukadu", naley to rozumie jako napicie midzy danym punktem, a punktem wsplnym (zerowym) najczciej nazywanym "mas".

Prd wyraa szybko przepywu adunku elektrycznego obok pewnego punktu. Jednostk miary jest 1A (amper). Mona wic powiedzie, e prd jednego ampera jest rwny przepywowi adunku jednego kulomba na sekund. Prd oznaczany jest zwykle symbolem I, a kierunek jego przepywu zaznacza si strzak na przewodzie. Uzgodniono, e prd jest dodatni gdy strzaka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego, mimo e faktyczny kierunek przepywu elektronw jest przeciwny. Tak naprawd jest obojtne jak narysuje si strzaki prdu i napicia w obwodzie :

wane jest, aby przyporzdkowa ich wartociom liczbowym waciwe znaki. Jeeli strzaki prdu i napicia, np. na rezystorze R s narysowane z przeciwnym zwrotem to R=U/I, a jeeli zwroty s takie same to R=-U/I. Znak minus w ostatnim wzorze nie oznacza, e rezystancja jest ujemna, tylko informuje o takich samych zwrotach strzaek napicia i prdu.

Prawo Ohma mwi, e napicie U na kocach przewodnika, przez ktry pynie prd o nateniu I jest iloczynem natenia prdu i rezystancji R tego przewodnika, czyli U = I * R (rys. 1.3).

Jest to prawo, z ktrego bdziesz wielokrotnie korzysta, gdy bdziesz musia obliczy prd lub napicie czy te wyliczy waciw dla danego ukadu warto rezystora.

Pierwsze prawo Kirchhoffa mwi, e suma prdw wpywajcych do wza jest rwna sumie prdw wypywajcych z niego lub inaczej, e suma wszystkich prdw w wle jest rwna zeru

Prdy wpywajce do wza maj znak dodatni, a wypywajce znak ujemny. Przykadem wza jest punkt A na rysunku. Prdy I1, I2 s dodatnie, a I3 ujemny.

Drugie prawo Kirchhoffa mwi, e w obwodzie zamknitym (oczku) suma wszystkich napi jest rwna zeru

Napicia, ktrych zwrot strzaki jest zgodny z obiegiem oczka s dodatnie, a te, ktrych zwrot jest przeciwny s ujemne. Obieg oczka przyjmuje si zgodnie z zaznaczon okrg strzak wewntrz obwodu. Zgodnie z tymi zaoeniami napicia U1 i U4 s dodatnie, a U2 i U3 ujemne.

Twierdzenie Thevenina mwi, e dowolny dwuzaciskowy ukad, skadajcy si z kombinacji rde napicia i rezystorw mona zastpi szeregowo poczonymi ze sob pojedynczego rezystora i pojedynczego rda napiciowego. Inaczej mwic mieszanin rezystorw i baterii mona zastpi jednym rezystorem i jedn bateri tak jak pokazane to jest na rys

Wypadkowe theveninowskie rezystancja i napicie wynosz wwczas RT i UT. Ich wartoci mona wyznaczy w sposb bardzo prosty. Napicie UT jest napiciem na rozwartych zaciskach theveninowskiego ukadu zastpczego, a wic jeli oba ukady maj si zachowywa tak samo to musi to by rwnie napicie na rozwartych zaciskach ukadu pierwotnego. Napicie to mona wyliczy lub zmierzy. Rezystancj RT mona znale wiedzc, e prd zwarcia ukadu zastpczego jest rwny UT/RT lub inaczej mwic

UT=U(rozwarcia)

RT=U(rozwarcia)/I(zwarcia)

Z twierdzenia Thevenina korzysta si bardzo czsto , a szczeglnie tam gdzie mamy do czynienia z czeniem ukadw wzajemnie si obciajcych, gdzie trzeba okreli wielko rezystancji obciajcej tak aby nie wpywaa ona w znaczcym stopniu na obciany ukad. Najprostszym przykadem jest obcianie dzielnika napicia gdzie do okrelenia wzajemnych zalenoci midzy obcieniem a wartociami rezystorw dzielnika wykorzystuje si twierdzenie Thevenina.

Moc (inaczej mwic praca wykonana w jednostce czasu) pobierana przez dowolne urzdzenie (np. rezystor) jest rwna: P = U * I Dla napicia U w woltach (V) i prdu I w amperach (A) otrzymuje si moc P w watach (W).

Korzystajc z prawa Ohma (rys. 1.3) mona otrzyma zalenoci, ktre przydadz si np. przy okrelaniu mocy rezystorw: P = I2 * R oraz P = U2/R. Moc najczciej zamienia si w ciepo, aby si o tym przekona wystarczy dotkn obudowy dowolnego urzdzenia elektronicznego podczas jego pracy.

Aby mg w peni zrozumie ukady elektroniczne, w ktrych mamy do czynienia ze zmieniajcymi si w czasie napiciem, musisz pozna najbardziej typowe rodzaje sygnaw (tak wanie nazywa si napicia zmieniajce si w czasie w okrelony sposb).

Sygna sinusoidalny jest przedstawiony na rys. 1.7. Wzr opisujcy ten sygna wyglda nastpujco: U = Umsin2pft, gdzie: Um - amplituda, f - czstotliwo wyraona w hercach (Hz), t - czas w sekundach. Jeli przyj, e w=2pf, to sygna sinusoidalny mona opisa nastpujcym wzorem: U = Umsinwt, gdzie w jest pulsacj wyraon w radianach na sekund. Fal sinusoidaln opisuj dwa parametry amplituda i czstotliwo (dotyczy to rwnie innych sygnaw). Czasami zamiast amplitudy uywa si pojcia wartoci skutecznej Usk czy te wartoci midzyszczytowej Upp. Warto skuteczna jest rwna Usk=0,707*Um, natomiast warto midzyszczytowa jest rwna podwojonej amplitudzie Upp=2Um. Przykadem wartoci skutecznej sygnau sinusoidalnego moe by znana wszystkim warto 220V napicia o czstotliwoci 50Hz w gniedzie sieciowym, jakie znajduje si w kadym mieszkaniu. Amplituda tego napicia wynosi 311V, a warto midzyszczytowa 622V.

Szum przedstawiony na rys. 1.8

jest nieodcznym towarzyszem sygnaw uytecznych i jest czym niepodanym w ukadach elektronicznych, a w szczeglnoci w ukadach pomiarowych o duej czuoci. Najczstszym rodzajem szumw jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory.

Sygna prostoktny ma ksztat pokazany na rys. 1.9

i podobnie jak sygna sinusoidalny mona go opisa dwoma parametrami, czyli amplitud i czstotliwoci, z t rnic, e warto skuteczna dla fali prostoktnej jest rwna jej amplitudzie. Czsto zamiast czstotliwoci uywa si pojcia okres T, ktry jest rwny T=1/f. Sygna prostoktny skada si ze zbocza narastajcego, poziomu wysokiego, zbocza opadajcego i poziomu niskiego. Nie zawsze sygna prostoktny wyglda tak jak na rysunku. Najczciej spotyka si sygna prostoktny tylko z "dodatnimi powkami" to znaczy, e poziom niski jest w granicach 0V. Ksztat jego jest rwnie daleki od ideau, gdy zbocza nie s prostopade (rys. 1.10).

Najczciej czas narastania czy opadania zboczy mieci si w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (ms) i mierzy si go jako czas narastania od 0,1 do 0,9 napicia sygnau. Z sygnaami prostoktnymi mamy do czynienia nie tylko w ukadach cyfrowych, ale rwnie na styku elektroniki analogowej i cyfrowej w takich ukadach jak komparatory, przetworniki A/C czy C/A, multipleksery analogowe.

Sygna pioksztatny jest przedstawiony na rys. 1.11.

Faktycznie przypomina on zby piy. Jest to sygna o przebiegu liniowym, czyli takim, w ktrym napicie ronie lub opada ze sta prdkoci do okrelonej wartoci i powtarzany jest okresowo.

Impulsy mog przybiera ksztaty przedstawione na rys. 1.12. Najczciej nie s to sygnay okresowe to znaczy nie powtarzaj si w sposb regularny w czasie. Opisa je mona poprzez podanie amplitudy i szerokoci impulsu. W technice cyfrowej mamy jednak do czynienia rwnie z impulsami powtarzajcymi si okresowo, wtedy do opisu takiego sygnau dodajemy czstotliwo lub okres, oraz moemy rwnie mwi o wspczynniku wypenienia, czyli stosunku szerokoci impulsu do okresu powtarzania. Impulsy dzielimy na dodatnie (pierwszy impuls od lewej na rys. 1.12) i ujemne

(drugi impuls od lewej na rys. 1.12).

rys. 1.12

Skoki i szpilki s w zasadzie sygnaami, ktre nie maj praktycznego zastosowania w ukadach elektronicznych, nadaj si za to znakomicie do ich analizowania i opisu. Skok przedstawiony na rys. 1.13 jest czci sygnau prostoktnego, natomiast szpilka pokazana na rys. 1.14 jest po prostu bardzo wskim impulsem.

rys. 1.13

rys. 1.14

TRANSFORMATORY I CEWKI

Cewka indukcyjna (rys. 2.18)

jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Szybko zmian prdu pyncego przez cewk indukcyjn zaley od panujcego na niej napicia. Zaleno t mona wyrazi wzorem:

gdzie L czyli indukcyjno jest najwaniejszym parametrem cewki indukcyjnej. Indukcyjno podaje si w henrach H, w praktyce uywa si najczciej mH i mH.

Z podanego wzoru wida, e doprowadzenie do cewki napicia staego spowoduje narastanie prdu. Jeeli wic do cewki o indukcyjnoci 1H przyoy si napicie 1V to prd, ktry popynie przez cewk bdzie narasta z prdkoci 1A/s. Symbol cewki indukcyjnej (rys. 2.18) przypomina spiral i tak jest w rzeczywistoci, gdy cewka jest spiral z drutu nawinit na rdzeniu. Rnice midzy cewkami dotycz gwnie rdzenia, na ktrym s nawinite. Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotni indukcyjno cewki. Rdzenie s budowane z elaza lub ferrytu (jest to nieprzewodzcy materia magnetyczny) i mog mie przerne ksztaty np.: toroidu czyli piercienia, prtu, "kubka" itd.

Cewki maj wiele zastosowa szczeglnie w ukadach radiowych w rnych filtrach i dawikach wielkiej czstotliwoci (w.cz.), w obwodach rezonansowych, generatorach czy te w ukadach ksztatujcych impulsy.

Zdjcie przedstawia cewki indukcyjne:

a) na rdzeniu toroidalnym,

b) na rdzeniu walcowym.

Transformator (rys. 2.19)

jest urzdzeniem skadajcym si z dwch silnie sprzonych ze sob uzwoje (cewek), nawinitych na wsplnym rdzeniu, nazywanych uzwojeniem pierwotnym i wtrnym. Jeli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napicie zmienne U1to zmienia si bdzie tak samo strumie magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napicia zmiennego U2w uzwojeniu wtrnym. Napicie to bdzie miao taki sam ksztat jak napicie w uzwojeniu pierwotnym, a amplitud wprost proporcjonaln do przekadni transformatora. Mona to zapisa wzorem:

gdzie: - n jest przekadni zwojow transformatora, - n1 jest liczb zwojw w uzwojeniu pierwotnym, - n2 jest liczb zwojw w uzwojeniu wtrnym,

Jeli z2 bdzie mniejsze od z1 to transformator bdzie obnia napicie. Stosunek prdu I2 pyncy w uzwojeniu wtrnym transformatora i prdu I1 pyncego w uzwojeniu pierwotnym jest odwrotnie proporcjonalny do przekadni zwojowej transformatora, co mona zapisa nastpujco:

Korzystajc z dwch powyszych wzorw i wzoru na moc mona wykaza, e w idealnym transformatorze (bez strat) moc po obu stronach transformatora jest taka sama.

Godna uwagi jest jeszcze jedna waciwo transformatorw, jest to transformacja impedancji wedug poniszego wzoru:

Zdjcie przedstawia przykady transformatorw: a) transformator sieciowy,

b) transformator z rdzeniem typu RM.

gdzie: - Z1 jest impedancj po stronie pierwotnej transformatora, - Z2 jest impedancj po stronie wtrnej transformatora. Waciwo ta wykorzystywana jest w transformatorach maej czstotliwoci (m.cz.) do dopasowywania impedancji pomidzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub te do dopasowania impedancji midzy wzmacniaczem i gonikiem.

Transformatory, z ktrymi mamy najczciej do czynienia to transformatory sieciowe. Transformatory te maj do spenienia dwie podstawowe funkcje w urzdzenizch elektronicznych:

- zmieniaj napicie sieciowe (220V 50Hz) na nisze, - izoluj ukad elektroniczny od czci sieciowej, oznacza to, e nie ma poczenia elektrycznego midzy sieci, a ukadem elektronicznym zasilanym z obnionego napicia.

DIODY Dioda jest elementem pprzewodnikowym i aby wyjani jej dziaanie musiaby pozna budow zcza p-n, a tutaj kania si fizyka ciaa staego. eby mona byo skorzysta z waciwoci diody nie jest to niezbdne. Dioda podobnie jak elementy RLC jest elementem dwukocwkowym, biernym (lub jak kto woli - pasywnym) ale w odrnieniu od nich jest elementem nieliniowym. W przypadku diody nie ma zastosowania prawo Ohma ale za to ma ona bardzo poyteczn cech, a mianowicie prd moe przez ni pyn tylko w jednym kierunku.

Symbol graficzny diody przedstawiony jest na rys. 3.1, jak wida jest on podobny do strzaki, ktra w tym przypadku wyznacza kierunek przepywu prdu przez diod. Wyprowadzenie diody A jest nazywane anod, a wyprowadzenie K jest nazywane katod. Jeeli do anody diody doprowadzi si napicie dodatnie wzgldem katody czyli UAK>0 to bdzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prd popynie od anody do katody. W przypadku gdy napicie UAK

uszkodzenia. Dlatego prd przewodzenia diody nie moe przekroczy jej prdu maksymalnego IFmax. Napicie przewodzenia diody UF okrela si przy prdzie przewodzenia IF=0,1IFmax. Dla diody germanowej Ge (diody mog by zbudowane z rnych pprzewodnikw) napicie to zawiera si w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.

Jako "ciekawostk" podam wzr na teoretyczn charakterystyk diody:

gdzie:

- IS jest teoretycznym prdem wstecznym, - m jest wspczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2, - UT=kT/q jest potencjaem elektrokinetycznym. Potencja ten w temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:

Charakterystyki diody krzemowej i germanowej przedstawione na rys. 3.3

powstay na podstawie przedstawionego wyej wzoru. Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej wynosz:

- dioda krzemowa IS=10 pA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA

- dioda germanowa IS=100 nA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA.

Z charakterystyki mona odczyta wartoci napicia przewodzenia UF dla prdu przewodzenia IF=0,1IFmax. Dla diody germanowej napicie przewodzenia jest rwne 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Przeczanie diody Oprcz napicia przewodzenia, napicia wstecznego czy te prdu przewodzenia, bardzo wanym parametrem diody jest jej czas magazynowania adunku tm. Proces wyczania diody pokazany jest na przebiegach czasowych na rys. 3.4.

Dioda D wczona w ukad z rdem napicia Ug nie wycza si od razu po zmianie napicia Ug z dodatniego na ujemne. Jak wida na rysunku napicie na diodzie spada z opnieniem rwnym czasowi magazynowania adunku w zczu p-n. Typowe wartoci tego czasu s dla diod maej mocy rwne od ok. 10ns do 100ns, a dla diod duej mocy nawet rzdu s. Przy pracy diody w obwodach z sygnaami szybkozmiennymi naley zwraca uwag na to aby czas magazynowania by znacznie mniejszy od okresu sygnau, ktry ma ulec wyprostowaniu na diodzie.

Dioda Schottky'ego

W przypadku gdy chcemy wczy diod w ukad z sygnaem o duej czstotliwoci to lepiej jest zastosowa diod Schottky'ego. W diodzie Schottky'ego miejsce zcza p-n zajmuje zcze metal-pprzewodnik, ktre te ma waciwoci prostownicze (przepuszczanie prdu w jednym kierunku). adunek magazynowany w takim zczu jest bardzo may i dlatego typowy czas przeczania jest rzdu 100ps. Oprcz tego diody Schottky'ego maj mniejsze napicie przewodzenia (UF=0,3V) ni diody krzemowe.

Dioda Zenera

Dioda Zenera wykorzystuje t waciwo zcz p-n, ktra w przypadku zwykych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napicia wstecznego, przy ktrym prd bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera napicie to jest dokadnie okrelone i nazywane jest napiciem Zenera UZ. Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.6, a charakterystyka tej diody

na rys. 3.7.

Jak wida na rys. 3.7 stabilizacja na diodzie zenera polega na tym, e duym zmianom prdu diody DID towarzysz bardzo mae zmiany spadku napicia DUAK i przyjmuje si, e napicie na diodzie nie zmienia si i jest rwne napiciu Zenera UZ. Diody takie stosuje si do stabilizacji napi staych. Produkuje si diody na napicia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamita, e im mniejsze jest to napicie tym gorsza stabilizacja.

Najprostszy ukad stabilizacji napicia staego z wykorzystaniem diody Zenera

przedstawiony jest na rys. 3.8.

Rezystor R1 ustala warto prdu pyncego przez diod i do obcienia. Warto tego rezystora musi by tak dobrana aby zapewni waciwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Waciwy prd mona zawsze odczyta z danych katalogowych diody. Przedstawiony ukad moe suy jako rdo napicia odniesienia. Taki ukad ma jednak kilka wad np. takich jak wpyw temperatury czy wpyw zmian prdu pyncego przez diod na napicie stabilizacji. Kilka ukadw przedstawiajcych lepsze rozwizania przedstawiem w dziale Ciekawe rozwizania ukadowe.

Dioda jako prostownik

Jednym z najczstszych i najprostszych zastosowa diody jest wykorzystanie jej jako prostownika.

Prostownik zamienia prd przemienny, czyli taki ktry pynie na zmian w dwch kierunkach na prd jednokierunkowy. Czsto o diodach mwi si "prostownik" majc na myli takie wanie zastosowanie. Prostownik jednopowkowy

Na rys. 3.9 przedstawiony jest najprostszy ukad prostownika. Ug jest rdem napicia przemiennego, a RL jest rezystancj reprezentujc obcienie prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) rdem napicia wejciowego Ug jest napicie zmienne takie jak na przykad w sieci 220V 50Hz, ktre jest obniane na transformatorze sieciowym i podawane na diod D. Tak wic dla wejciowego napicia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie wikszej od napicia przewodzenia diody (0.6V) napicie na obcieniu UL wyglda tak jak na rys. 3.10 (przebieg czerwony).

Jak wida przez diod przedostaj si tylko dodatnie powki sinusoidy, gdy wwczas na anodzie diody jest wyszy potencja ni na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywicie wtedy gdy Ug>0.6V). Mona wic powiedzie, e jest to prostownik jednopowkowy. Napicie UL wystpuje wic jedynie przez poow okresu napicia wejciowego Ug. Prostownik dwupowkowy

Na rys. 3.11 przedstawiony jest inny ukad prostownika.

Jest to dwupowkowy ukad mostkowy. Tak zwany mostek zoony jest z diod D1, D2, D3, D4. Przebiegi napicia wejciowego Ug i wyjciowego UL przedstawione s na rys. 3.12.

Dla dodatniej powki sinusoidy sygnau wejciowego prd (strzaki czerwone) popynie przez diod D1 do obcienia RL, dalej poprzez diod D3 do rda Ug. Nastpnie dla powki ujemnej prd (strzaki niebieskie) popynie poprzez diod D2 do obcienia RL jak wida zachowujc ten sam kierunek przepywu prdu przez obcienie jak dla powki dodatniej, a nastpnie poprzez diod D4 z powrotem do rda Ug. W efekcie na wyjciu ukadu otrzymamy napicie wyprostowane dwupowkowo co wida na przebiegu z rys. 3.12 (przebieg czerwony). Poziome odcinki pomidzy powkami sinusoidy s spowodowane spadkami napi na przewodzcych diodach. Warto zauway, e w ukadzie mostkowym dla obu kierunkw sygnau wejciowego, z wejciem s poczone szeregowo dwie diody. Dlatego aby prd zacz pyn do obcienia napicie Ug musi by wiksze od podwojonego napicia przewodzenia diody (Ug>20.6V). Warto o tym pamita szczeglnie przy projektowaniu zasilaczy.

Prostownik w zasilaczu sieciowym

Prostownik jednopowkowy czy dwupowkowy w takich postaciach jak przedstawione na rys. 3.9

nie maj w zasadzie praktycznego zastosowania gdy napicie otrzymywane na wyjciu nie zmienia wprawdzie kierunku lecz ma bardzo due zmiany jeli chodzi o warto napicia - zmiany te s nazywane ttnieniami. Aby otrzyma napicie stae rwnie co do wartoci naley je wygadzi, a w tym celu na wyjciu prostownika stosuje si filtr dolnoprzepustowy. Filtr ten najczciej ma posta

kondensatora elektrolitycznego (czasami mona zastosowa pomidzy mostkiem, a kondensatorem may rezystor dla ograniczenia prdu). Przykad zastosowania prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym przedstawiony jest na rys. 3.13. rdem napicia zmiennego jest napicie sieciowe obniane na transformatorze sieciowym. Kondensator filtrujcy (wygadzajcy) C doczony jest rwnolegle do obcienia RL. Filtrowanie polega na tym, e kondensator aduje si w czasie, gdy napicie prostownika przewysza napicie na kondensatorze, a rozadowuje si w czasie, gdy napicie prostownika spada poniej napicia na kondensatorze. Szybko rozadowywania zaley od staej czasowej RLC. Przebieg napicia wyjciowego U przedstawiony jest na rys. 3.14. Kolorem czerwonym zaznaczony jest ksztat napicia na wyjciu prostownika bez kondensatora filtrujcego C, a kolorem niebieskim napicie na wyjciu z doczonym kondensatorem. Napicie ttnie Ut rwne jest DU. Aby zapewni ma amplitud ttnie to warto kondensatora C dobiera si tak aby by speniony warunek

RLC>>1/f

gdzie f jest czstotliwoci ttnie - w tym przypadku jest to 100Hz (czstotliwo napicia sieciowego jest rwna 50Hz). Warunek ten oznacza, e czas jaki upywa midzy nastpujcymi po sobie doadowaniami kondensatora jest znacznie mniejszy od staej czasowej obwodu rozadowania. Aby obliczy warto midzyszczytow napicia ttnie (na rys. 3.14 oznaczona jako DU) wystarczy zajrze do dziau Elementy RLC i przypomnie sobie skd si bierze wzr:

DU=(I/C)Dt

Dla

Dt=T=1/f - prostowanie jednopowkowe Dt=T=1/2f - prostowanie dwupowkowe

gdzie T jest okresem napicia sieciowego (20ms), a f jego czstotliwoci (50Hz), otrzymuje si nastpujce wzory na warto napicia ttnie:

odpowiednio dla prostownika jednopowkowego i dwupowkowego. Prd IL jest prdem obcienia. Oczywici powysze wzory s pewnym przyblieniem, ale z praktycznego punktu widzenia zupenie wystarczajacym i przy ich pomocy bdziesz mg wyliczy waciw wartoc pojemnoci dla kondensatora filtrujcego w zasilaczu sieciowym, zakadajc oczywicie dopuszczaln warto napicia ttnie i maksymalny prd obcienia.

Dioda jako klucz

Podstawow waciwo diody jak jest przewodzenie prdu w jednym kierunku mona doskonale wykorzysta w ukadach przeczajcych - kluczach. Przecznikiem diodowym (kluczem) nazywany jest nieliniowy dzielnik napicia zoony z rezystora i diody. Oczywicie elementem nieliniowym jest dioda. Na rysunku 3.15 pokazane s moliwe konfiguracje ukadu klucza diodowego i jego charakterystyki przejciowe (oczywicie s to charakterystyki uproszczone).

Ukady te rni si jedynie umiejscowieniem zaciskw wejciowych i wyjciowych. Wystarczy wic przeanalizowa dziaanie jednego z nich przedstawionego na rysunku 3.16. Na ukad klucza diodowego z rysunku 3.16 skadaj si dioda D i rezystor R. Klucz pobudzany jest impulsem prostoktnym otrzymywanym ze rda Ug, ktrego rezystancja wewntrzna wynosi Rg. Jeeli napicie pobudzajce jest wystarczajco due to klucz diodowy zostaje wczony czyli dioda przewodzi, a wejcie z wyjciem jest poczone. Inaczej mwic na wyjciu pojawi si takie samo napicie jak na wejciu, oczywicie jeli pomin napicie przewodzenia diody UF czy spadek napicia na Rg. Gdy impuls pobudzajcy zmieni polaryzacj to dioda jest zatkana lub mwic inaczej klucz jest wyczony, a wejcie z wyjciem rozczone. Gdy klucz diodowy jest wczony to w obwodzie pynie prd IF, ktrego warto mona wyliczy ze wzoru:

a napicie wyjciowe wynosi wwczas:

Z tego wzoru wida, e aby wpyw na napicie wyjciowe Uwy spadku napicia UF na przewodzcej diodzie i na rezystancji wewntrznej rda Rg by znikomy to napicie pobudzajce Ug musi by znacznie wiksze od UF, a R musi by znacznie wiksze od Rg. Wad klucza diodowego jest rwnie to, e jest on wraliwy na zmiany obcienia reagujc zmian napicia wyjciowego. Inn wad jest przenoszenie si wszelkich zakce w obu kierunkach (oczywicie w czasie wczenia klucza). Pomimo tych wad klucze diodowe s stosowane szczeglnie w technice impulsowej, poniewa posiadaj zalet jak jest bardzo maa bezwadno.

Ogranicznik diodowy

Ukad pokazany na rysunku 3.17

ma za zadanie ograniczanie wzrostu napicia wyjciowego powyej napicia +4,6V (zakadajc, e spadek napicia na przewodzcej diodzie wynosi 0,6V). Na katodzie diody wystpuje napicie 4V (aby obliczy w tym miejscu to napicie wystarczy skorzysta ze wzoru na dzielnik napicia). Jeeli napicie wejciowe wzronie powyej 4,6V to dioda zacznie przewodzi i na wyjciu ukadu napicie bdzie ograniczone do wartoci:

Uwy= 4V + 0,6V = 4,6V

Tak dugo jak dugo napicie wejciowe bdzie wiksze od 4,6V napicie wyjciowe bdzie ograniczone do tej wanie wartoci. Dla napi wejciowych mniejszych od 4,6V napicie na wyjciu bdzie rwne wejciowemu. Rezystory R2 i R3 musz mie tak warto aby ich rezystancja zastpcza czyli rezystancja poczonych rwnolegle R2 i R3 (przy obliczaniu rezystancji zastpczej rdo napicia +12V naley potraktowa jak zwarcie do masy) bya maa w porwnaniu z rezystorem R1, gdy to pozwoli na zmniejszenie niestaoci rda napicia odniesienia opartego na dzielniku napicia (R2 i R3).

ZASILACZE

Budowa zasilacza

Kady zasilacz sieciowy napicia staego musi skada si z bloku obniajcego napicie sieci 220V, czyli po prostu transformatora i ukadu zamieniajcego obnione napicie przemienne na stae, czyli ukadu prostownika z filtrem. Jeeli do tego napicia wyjciowe musz by o maych ttnieniach (czyli zmianach wartoci napicia wyjciowego), to zasilacz musi by wyposaony w odpowiednie ukady stabilizatorw. Schemat blokowy takiego zasilacza pokazany jest na rys. 10.1.

Wbrew pozorom zaprojektowanie zasilacza nie jest wcale takie proste jeeli chce si to zrobi w sposb optymalny, biorc pod uwag wszystkie zakadane parametry wyjciowe zasilacza, oraz warunki w jakich mu przyjdzie pracowa (np. zmiany napicia wejciowego czyli napicia sieci). Projektowanie zasilacza naley zacz od okrelenia wartoci napi wyjciowych, dopuszczalnych ttnie (czyli zmian napi wyjciowych) oraz maksymalnych prdw wyjciowych. Trzeba okreli czy bdzie to zasilacz stabilizowany czy te niestabilizowany. Poniej przedstawi etapy projektowania zasilacza sieciowego. Etapy te bd poparte przykadowymi obliczeniami, ktre w efekcie kocowym dadz projekt zasilacza stabilizowanego o trzech napiciach wyjciowych. Mam nadziej, e pomoe to pocztkujcym kolegom w zbudowaniu wasnego zasilacza. rys. 10.1

Okrelenie parametrw zasilacza W pierwszej kolejnoci przy projektowaniu zasilacza trzeba sobie odpowiedzie na pytanie do jakich celw bdzie on uywany. Jeli ma by to zasilacz "laboratoryjny" czyli zasilacz, ktry bdzie suy do uruchamiania rnych ukadw elektronicznych to powinien spenia nastpujce warunki: musi to by zasilacz stabilizowany powinien mie trzy napicia wyjciowe - stae +5 V przy prdzie obcienia przynajmniej 1,5 A - regulowane od 0 V do +15 V przy prdzie obcienia 1 A - regulowane od 0 V do -15 V przy prdzie obcienia 1 A napicia ttnie nie powinny przekracza 2% wartoci napicia wyjciowego powinien posiada zabezpieczenie przeciwzwarciowe powinien mie moliwo wywietlania ustawionej wartoci napi regulowanych

Oczywicie s to przykadowe parametry. Mona zwiksza wartoci prdw wyjciowych czy te zmienia wartoci napi wyjciowych lub zrezygnowa z moliwoci regulacji napi wyjciowych, co znacznie upraszcza konstrukcj. Nie ma koniecznoci wbudowywanie ukadu wywietlajcego warto ustawionego napicia wyjciowego (chocia daj to pewien komfort pracy). Jeli projektowany zasilacz ma by fragmentem ukadu elektronicznego to jego parametry bd zalee od wymaga stawianych przez ten ukad. Na przykad dla ukadw wzmacniaczy mocy nie projektuje si zasilaczy stabilizowanych. Dla przykadu, na ktrym bdzie si opiera dalszy tok projektowania okrel nastpujce warunki jakie bdzie mia spenia zasilacz: zasilacz stabilizowany

trzy napicia wyjciowe - stae +5 V z dokadnoci nie gorsz ni 4%, prd obcienia 1,5 A - stae +12 V z dokadnoci nie gorsz ni 4%, prd obcienia 1 A - stae -12 V z dokadnoci nie gorsz ni 4%, prd obcienia 1 A napicia ttnie maksimum 2% wartoci napicia wyjciowego powinien posiada zabezpieczenie przeciwzwarciowe Oczywicie s to minimalne zaoenia, ale wystarczajce aby zrozumie istot problemu projektowania zasilaczy.

Na rysunku 10.2 przedstawiony jest schemat blokowy zasilacza, ktry bdzie przedmiotem dalszych etapw projektowania. Zasad rysowania schematw blokowych dobrze jest stosowa zawsze przy projektowaniu ukadw elektronicznych. Schemat blokowy podzieli cay ukad na bloki funkcjonalne co uatwia i przypiesza projektowanie.

Transformator

Najtrudniejszym chyba zadaniem jest waciwy dobr transformatora, gdy musi on uwzgldnia wiele czynnikw majcych wpyw na prac zasilacza takich jak: dopuszczalny zakres zmian napicia sieciowego czyli 230V 10% (to nie jest pomyka, przyjo si 220V gdy tak byo do tej pory, ale w zwizku z procesem integracji europejskiej i u nas zostay wprowadzone zmiany co do wymaga na napicie sieci) spadek napicia na prostowniku spadek napicia na stabilizatorze minimaln warto napicia potrzebnego do poprawnej pracy ukadu stabilizatora straty napicia wyjciowego wynikajce z rezystancji wewntrznej uzwoje transformatora moc wyjciow zasilacza i straty mocy na poszczeglnych elementach zasilacza Przy projektowaniu zasilaczy du rol odgrywa rezystancja wewntrzna Rw uzwoje transformatora (rysunek 10.3). Jest to bardzo wany parametr, jednak najczciej zapomina si o nim. Czsto syszy si okrelenia, e transformator jest bardziej lub mniej "mikki", czyli e napicie wyjciowe zmniejsza si przy zwikszaniu obcienia. Za taki efekt odpowiedzialna jest wanie rezystancja uzwoje.

Rezystancj wewntrzn mona obliczy na podstawie podawanych przez producenta transformatorw wartoci znamionowych napi i prdw (Unsk, Insk - s to wartoci skuteczne) oraz wspczynnika su okrelajcego spadek napicia przy obcieniu znamionowym. Wspczynnik su nie zawsze jest podawany ale mona go wyliczy znajc napicie biegu jaowego U0sk (bez obcienia), ktre wystarczy zmierzy.

su=Uosk/Unsk

Korzystajc z tego wzoru mona wyliczy rezystancj wewntrzn Rw transformatora

Rw=(Uosk- Unsk)/Insk

Rezystancja wewntrzna transformatora ma wpyw na spadek napicia wyjciowego transformatora pod obcieniem prd szczytowy przewodzenia diody w ukadzie zasilacza, a co za tym idzie rwnie na spadek napicia na diodzie Aby w peni zrozumie jakie znaczenie ma rezystancja wewntrzna transformatora najlepiej jest przeanalizowa przykad porwnujcy prac transformatora obcionego rezystancj obcienia RL (rys. 10.4)

i prac transformatora w ukadzie zasilacza z prostowaniem dwupowkowym obcionego t sam rezystancj RL (rysunek 10.5).

Ukad z rysunku 10.4 jest to po prostu transformator obciony rezystancj RL. Prd I pyncy przez obcienie RL zaley bezporednio od wartoci tego obcienia i napicia U na wyjciu transformatora. Jak wida na przebiegach prd I (linia czerwona) pynie bez przerwy i w obu kierunkach - jest to te sinusoida jak i dla napicia U. Napicie U pod obcieniem (linia zielona) jest nieco nisze od napicia biegu jaowego (linia szara) i zaley od spadku napicia na rezystancji wewntrznej wywoanego prdem I. Zupenie inaczej sprawa przedstawia si gdy transformator pracuje z prostownikiem tak jak na rysunku 10.5. W tym ukadzie prd I, ktry wypywa z transformatora nie jest ju tylko zaleny od obcienia RL. Prd ten pynie tylko w krtkim czasie gdy napicie na kondensatorze spadnie na tyle aby umoliwi przewodzenie mostka prostowniczego i doadowanie kondensatora. Jak wida na przebiegach z rys. 10.5 warto prdu I doadowujcego kondensator jest duo wiksza ni dla ukadu z rys. 10.4. Przy tak duej chwilowej wartoci prdu pyncego przez uzwojenie wtrne transformatora spadek napicia na rezystancji wewntrznej jest duo wikszy ni w ukadzie z rys. 10.4. Wikszy prd powoduje wic znaczny spadek napicia wyjciowego transformatora. Wydawaoby si, e lepiej jest stosowa w takim razie sztywne transformatory (o maej rezystancji uzwoje), ale to z kolei sprawi, e popynie wikszy prd przez mostek prostowniczy powodujc zwikszenie spadku napicia na przewodzcych diodach nawet dwukrotnie. Dla typowych did z rodziny 1N4001 ... 1N4007 bdzie to oznaczao zwikszenie spadku z 1V (przy 1A) nawet do ponad 1,5V, co dla ukadu mostkowego da obnienie napicia wyjciowego zasilacza nawet o 3V.

Podsumowujc nie da si okreli wprost jakie bdzie naprawd napicie wyjciowe z prostownika. Bdzie ono na pewno nisze ni wynikaoby to z prostego przemnoenia katalogowej wartoci napicia nominalnego Unsk pomnoonego przez pierwiastek z dwch. Dlatego naley dobiera transformator o mocy wikszej ni wynikaoby z porwnania mocy wyjciowej jak potrzebujemy z katalogow wartoci mocy transformatora. Niektre prace powicone tym zagadnieniom podaj, e rnica ta powinna by nawet dwukrotna, takie podejcie jest moim zdaniem troch przesadzone. Na moc prdu staego dla ukadu z rys.10.5 skada si moc oddawana do obcienia czyli IL UL i moc strat na prostowniku czyli 2UD IL, gdzie IL jest rednim prdem obcienia, a UD to spadek napicia na diodzie przy prdzie I L. Poniewa zgodnie z wczeniejszymi rozwaaniami warto chwilowa prdu adowania kondensatora jest duo wiksza od wartoci redniej prdu IL, to aby nie dopuci do przekroczenia dopuszczalnej mocy strat transformatora, jego moc znamionowa powinna by wiksza od mocy prdu staego, co mona przedstawi wzorem:

PTr = a IL (UL+ 2UD)

gdzie a jest wspczynnikiem umoliwiajcy uwzgldnienie wikszej wartoci skutecznej prdu. Dla ukadu jak na rys.10.5 wspczynnik ten powinien wynosi 1,2. W praktyce lepiej jest przyj 1,5 co oczywicie bdzie skutkowao wikszymi wymiarami transformatora ale da w zamian lepsz sprawno ukadu. Dla zasilacza, ktry wsplnie chcemy zaprojektowa bilans mocy potrzebny do okrelenia mocy transformatora przeprowadz dopiero po wyborze ukadw prostownikw i ich iloci oraz ukadw stabilizatorw i okreleniu wartoci napi wyjciowych transformatora. Teraz naley si zastanowi ile uzwoje wtrnych powinien mie transformator, ktry bdziemy chcieli zastosowa. Dla zasilacza, ktrego parametry i zastosowanie okreliem wczeniej dobrze jest zastosowa transformator o trzech uzwojeniach wtrnych - symbol takiego transformatora jest pokazany na rysunku 10.6.

Dwa uzwojenia bd o takiej samej wartoci napicia oraz obcialnoci i bd suyy do uzyskania napi zasilacza 12V, trzecie uzwojenie bdzie suyo dla uzyskania napicia +5V - warto napicia tego uzwojenia jak atwo si domyli bdzie mniejsza ni pozostaych dwch. Wybr takiego transformatora pozwoli na zmniejszenie jego mocy (nisze napicie jednego z uzwoje) oraz na separacj poszczeglnych zasila od siebie co nieraz moe si przyda. Pociga to oczywicie za sob konieczno uycia trzech prostownikw ale przy obecnych cenach tych elementw nie jest to duy wydatek. W przypadku gdy masa ukadu zasilanego z naszego zasilacza bdzie wsplna, wystarczy przewidzie w konstrukcji obudowy zasilacza zewntrzne zwory umoliwiajce poczenie mas poszczeglnych napi zasilacza. Do realizacji napi 12V mona by uy jednego prostownika stosujc ukad z tak zwanym dzielonym uzwojeniem wtrnym (rysunek 10.7) ale wwczas pozbawimy si moliwoci separacji tych zasila. Ostateczny wybr i tak bdzie zaleny od moliwoci zakupu waciwego transformatora.

Prostownik

W dziale "Diody" zostay krtko omwione rodzaje prostownikw. Tutaj jest miejsce aby potraktowa ten temat nieco szerzej. Dla przypomnienia prostowniki dzieli si na: - jednopowkowe - dwupowkowe (mostkowe) Prostownik jednopowkowy przedstawiony jest na rysunku 10.8, a wzory [1] zwizane z tym ukadem po prawej stronie rysunku. Niektre z tych wzorw mog si przyda przy

projektowaniu zasilaczy. Na rysunku 10.9 przedstawione s przebiegi napi i prdw w ukadzie prostownika z rys. 10.8

Na rys. 10.8 jest przedstawiony najprostszy ukad prostownika. Jest to prostownik jednopowkowy, poniewa prd pynie przez diod tylko podczas dodatniej powki sinusoidy napicia u0(t), bdcego napiciem uzwojenia wtrnego transformatora. Jeeli do wyjcia prostownika nie jest doczone obcienie RL (praca w biegu jaowym), to kondensator C zostaje naadowany w czasie dodatniej powki sinusoidy napicia u0(t) do wartoci maksymalnej biegu jaowego

Uwy0=1,41 U0sk- UD

gdzie 1,41 to pierwiastek z liczby 2, a UD jest napiciem przewodzenia diody, natomiast U0sk jest wartoci skuteczn napicia uzwojenia wtrnego transformatora w biegu jaowym. W czsie ujemnej powki sinusoidy napicia na transformatorze, dioda nie przewodzi i wystpuje na niej maksymalne napicie wsteczne rwne

URM=2 1,41 U0sk- UD @ 2,82 U0sk

Jeeli ukad prostownika zostanie obciony rezystorem RL, to kondensator C bdzie rozadowywany przez ten rezystor tak dugo dopki nie przewodzi dioda czyli do czasu a napicie na na wyjciu transformatora bdzie wiksze o UD od napicia wyjciowego, kondensator C zostanie wwczas ponownie naadowany do napicia wyjciowego, ktrego warto zalena jest (jak ju wiadomo) od rezystancji wewntrznej transformatora. Na rysunku 10.9 przedstawione s przebiegi napi i prdu w ukadzie prostownika jednopowkowego. Krzywa koloru czerwonego to prd transformatora doadowujcy kondensator, kolorem zielonym zosta oznaczony przebieg napicia wyjciowego, wida na nim zaznaczon warto midzyszczytow ttnie. Na przebiegu napicia wyjcioweo wida, e czas rozadowywania kondensatora jest znacznie duszy od czasu adowania, a wic nawet przy nieduzych obcieniach kondensator bdzie mocno rozadowywany i na wyjciu bd due ttnienia. Ukad prostownika jednopowkowego moe wic by stosowany tylko tam gdzie s mae obcienia i gdzie nie zaley nam na maych ttnieniach napicia wyjciowego.

Prostownik dwupowkowy mostkowy przedstawiony jest na rysunku 10.10, a wzory [1] zwizane z tym ukadem po prawej stronie rysunku. Niektre z tych wzorw mog si przyda przy projektowaniu zasilaczy. Na rysunku 10.11

przedstawione s przebiegi napi i prdw w ukadzie prostownika z rys. 10.10.

Mechanizm prostowania dwupowkowego przedstawiem ju w dziale Diody, a wic w tym miejscu nie bd ju tego powtarza. W ukadzie prostownika dwupowkowego uzyskuje si znacznie lepszy stosunek czasu rozadowania kondensatora do czasu adowania ni w ukadzie jednopowkowym, inaczej mwic przy tym samym obcieniu czas rozadowania kondensatora w ukadzie mostkowym jest znacznie krtszy ni w ukadzie jednopowkowym. Efektem tego s mniejsze ttnienia napicia wyjciowego. Na rys. 10.10 jest przedstawiony ukad prostownika mostkowego. Jest to prostownik dwupowkowy, poniewa prd pynie przez diody podczas dodatniej i ujemnej powki sinusoidy napicia u0(t), bdcego napiciem uzwojenia wtrnego transformatora. Jeeli do wyjcia prostownika nie jest doczone obcienie RL (praca w biegu jaowym), to kondensator C zostaje naadowany w czasie dodatniej powki sinusoidy napicia u0(t) do wartoci maksymalnej biegu jaowego rwnej

Uwy0=1,41 U0sk- 2 UD

gdzie 1,41 to pierwiastek z liczby 2, a UD jest napiciem przewodzenia diody, natomiast U0sk jest wartoci skuteczn napicia uzwojenia wtrnego transformatora w biegu jaowym. Jeeli ukad zostanie obciony rezystancj RL to kondensator jest rozadowywany a do momentu gdy podczas trwania ujemnej powki sinusoidy napicie u0(t) przewyszy napicie na kondensatorze i wwczas kondensator zostanie doadowany przez drug par diod mostka (patrz dzia Diody). Jak wida z powyszego wzoru napicie na kondensatorze bdzie pomniejszone o podwjny spadek napicia przewodzenia diody (dla kadej powki sinusoidy w obwodzie adowania kondensatora s dwie diody poczone szeregowo), co jest mniej korzystne ni w przypadku prostownika jednopowkowego (naley to uwzgldni przy doborze napi wtrnychtransformatora). Natomiast niewtpliw korzyci jest to, e w ukadzie mostkowym mona uzyska dwa razy wikszy prd stosujc ten sam typ diod co w ukadzie jednopowkowym. Na przykad dla diod z serii 1N4001 ... 1N4007 prd przewodzenia wynosi 1A , to w ukadzie mostkowym mona uzyska 2A. Jest to spowodowane tym, e redni prd przewodzenia kadej gazi mostka jest rwny poowie prdu wyjciowego (zgodnie z zasad zachowania adunku). Moc strat dla pojedynczej diody bdzie w zwizku z tym o poow mniejszy ni dla diody w ukadzie jednopowkowym. Nastpn korzyci jest to e napicia wsteczne jest dwa razy mniejsze ni w ukadzie prostownika jednopowkowego i wynosi

URM=1,41 U0sk- 2 UD

Bardzo istotn spraw, na ktr naley zwrci uwag jest fakt wystpowania duego prdu adujcego kondensator w momencie wczenia zasilania. Jest to spowodowane tym, e kondensator nie jest naadowany i ukad zachowuje si tak jakby wystpio chwilowe zwarcie, czyli popynie prd ograniczony jedynie rezystancj wewntrzn transformatora. Jeeli rezystancja ta jest maa, to czsto stosuje si, szczeglnie w zasilaczach dla wzmacniaczy mocy, szeregow rezystancj ograniczajc szczytowy prd przewodzenia IDM. Rwnie w tym przypadku ukad mostkowy okazuje si bardziej korzystnym gdy szczytowy prd przewodzenia jest 1,41 (pierwiastek z dwch) razy mniejszy ni w ukadzie jednopowkowym. Na koniec jeszcze jedna zaleta ukadu mostkowego - napicie ttnie Utpp jest w przyblieniu dwukrotnie mniejsze ni w ukadzie jednopowkowym. rys. 10.11

Podsumowujc bardziej korzystnym i najczciej stosowanym jest ukad prostownika mostkowego. Rwnie w naszym przykadzie zasilacza zastosujemy prostowniki mostkowe budujc je np. z diod 1N4001 (lub podobnych) ewentualnie mona zastosowa gotowe mostki na prd 1A. Schemat ukadu prostownikw dla naszego zasilacza przedstawiony jest na rysunku 10.12. Kondensatory C1, C2, i C3 naley obliczy korzystajc z przyblionego wzoru na napicie ttnie Utpp przy uwzgldnieniu wzoru na minimalne napicie wyjciowe Uwymin.

Szczegowe wyliczenia (patrz przykad) bd oczywicie moliwe dopiero po okreleniu jakie napicie wyjciowe jest potrzebne i jakie napicie minimalne na wyjciu prostownika jest dopuszczalne. Jest to uzalenione od zastosowanego ukadu stabilizatora (musimy

wiedzie jaka jest dopuszczalna rnica napi pomidzy wyjciem, a wejciem stabilizatora).

Prostownik dwupowkowy z dzielonym uzwojeniem wtrnym Koczc temat prostownikw w zasilaczach warto powici chwil uwagi prostownikom z dzielonym uzwojeniem wtrnym. Ukad takiego prostownika jest przedstawiony na rysunku 10.13, a wzory [1] zwizane z tym ukadem po prawej stronie rysunku. Cech charakterystyczn takiego ukadu jest to e rodkowy odczep uzwojenia transformatora (lub punkt poczenia dwch identycznych uzwoje) jest doczony do masy ukadu.

Ukad z rysunku 10.13 zachowuje wszystkie cechy ukadu prostownika dwupowkowego (o czym wiadcz podane powyej wzory), a ponadto dziki temu, e dla kadego pokresu napicia transformatora u0 prd pynie tylko przez jedn diod strata napicia wyjciowego spowodowana spadkiem napicia na diodzie jest o poow mniejsza (czyli taka jak dla ukadu jednopowkowego). Wydawaoby si, e ukad ten jest lepszy od ukadu mostkowego gdy potrzebne s tylko dwie diody i s mniejsze straty na napiciu wyjciowym, ale jak atwo zauway zamiast jednego uzwojenia wtrnego potrzebne s dwa uzwojenia o tych samych napiciach wyjciowych. Wprawdzie uzwojenia te mog by o mocy dwa razy mniejszej ni dla ukadu mostkowego, lecz bdzie to okupione dwukrotnym zwikszeniem rezystancji wewntrznej transformatora, a co za tym idzie wikszymi stratami napicia na transformatorze. Przy maych napiciach wyjciowych, dla ktrych spadki napicia na diodzie s znacznymi, lepiej jest stosowa ukad z dzielonym uzwojeniem wtrnym, natomiast dla duych napi wyjciowych korzystniejszy jest ukad mostkowy. Modyfikujc ukad z rysunku 10.13 mona otrzyma ukad, w ktrym uzyska si jednoczenie dodatnie i ujemne napicie wyjciowe. Ukad taki jest pokazany na rysunku 10.14.

W przeciwiestwie do ukadu z rys.10.13, gdzie nie byy wykorzystywane ujemne powki napiecia u0 w kadym z uzwoje transformatora, przez dodanie dwch diod odwrotnie wczony otrzymuje si ukad (rys. 10.14), na wyjciu ktrego s dwa napicia symetryczne wzgldem masy. Jeeli si bliej przyjrze temu ukadowi to atwo zauway e tak naprawd diody D1 ... D4 stanowi ukad pocze mostka (patrz rysunek 10.7), a wic zamiast diod mona zastosowa gotowy mostek. Jeeli nie zaley nam na izolowanych od siebie masach napi dodatniego i ujemnego w zasilaczu, to a si prosi aby ukad taki zastosowa w przykadzie zasilacza, w ktrym maj by dwa symetryczne napicia wyjciowe. Przy takim zaoeniu schemat ukadu prostownikw dla naszego zasilacza przedstawiony jest na rysunku 10.15.

Kondensator filtrujcy Kondensator, ktry naley umieci na wyjciu ukadu prostownika odgrywa bardzo wan rol gdy od niego zaley wielko ttnie napicia wyjciowego, o czym wiadcz przytoczone wczeniej wzory na napicie ttnie Utpp. Z wzorw tych jasno wynika, e im wiksza pojemno kondensatora tym ttnienia mniejsze. Mona rwnie zauway, e im wikszy prd wyjciowy tym wikszy kondensator naleaoby zastosowa. Przeksztacajc matematycznie wzr na Utpp (dla prostownika dwupowkowego) mona otrzyma zaleno na warto pojemnoci kondensatora filtrujcego przy zakadanych wartociach ttnie i prdu wyjciowego.

C=Iwy/(2fUtpp)

gdzie f=50Hz jest czstotliwoci napicia sieciowego 230V. Zakadajc napicie ttnie 0,5V przy prdzie 1,5A obliczona warto pojemnoci kondensatora filtrujcego wyniesie C=30000F, co jest wartoci bardzo du, w praktyce stosuje si o wiele mniejsze pojemnoci, godzc si z wikszymi ttnieniami. Dopuszczaln warto ttnie wyznaczy nam znamionowa warto napicia wyjciowego transformatora (jakim bdziemy dysponowa), spadek napicia na diodach prostownika oraz wymagana rnica napi pomidzy wyjciem i wejciem stabilizatora oraz oczywicie napicie wyjciowe stabilizatora.

STABILIZATORY

Prawie wszystkie ukady czy urzdzenia elektroniczne wymagaj zasilacza, w ktrym jest przynajmniej jedno rdo napicia staego o bardzo dobrych parametrach, co zwykle oznacza, e napicie takiego rda nie zmienia si ani pod wpywem zmian napicia w sieci (220V), ani pod wpywem zmian obcienia. Oczywicie pewne zmiany zawsze bd (nazywa si je ttnieniami) ale dy si do tego aby byy jak najmniejsze. Cel taki uzyskuje si przez stosowanie stabilizacji napicia ukadami, ktre nazywaj si stabilizatorami. Jak mona krtko wyjani na czym polega mechanizm stabilizacji? Ot dziki twrcom teorii sprzenia zwrotnego (w 1928 roku Harold S. Black prbowa opatentowa zasady ujemnego sprzenia zwrotnego) oraz dziki dalszemu rozwojowi tej jake uytecznej techniki, moliwa jest obecnie realizacja stabilizatorw o bardzo dobrych parametrach. W stabilizatorach stosowane s wanie obwody ujemnego sprzenia zwrotnego, w ktrych nastpuje porwnanie wyjciowego napicia stabilizowanego z wzorcowym rdem napicia (o bardzo duej staoci), w wyniku porwnania wypracowany zostaje sygna sterujcy, ktry wpywa na element regulacyjny tak aby przeciwdziaa niepodanym zmianom. I tak jeeli z jakich powodw napicie na wyjciu stabilizatora miaoby si zmieni to sygna uzyskany z obwodu sprzenia zwrotnego bdzie przeciwdziaa tym zmianom.

Rodzaje stabilizatory.

Stabilizatory mona najoglniej podzieli na: stabilizatory liniowe (linear regulators) lub inaczej stabilizatory o regulacji cigej, stabilizatory impulsowe

- zmniejszajce warto napicia (step-down) - zwikszajce warto napicia (step-up).

Oczywicie to nie wyczerpuje wszystkich moliwoci gdy pozostaje jeszcze podzia na stabilizatory regulowane, stae, dodatnie, ujemne itd.

Parametry stabilizatorw. Do najwaniejszych parametrw stabilizatory, na ktre trzeba zwraca szczegln uwag naley zaliczy: nominalna warto napicia wyjciowego Uwy i jego tolerancja maksymalny prd wyjciowy Iwy maksymalny prd zwarcia Izw zakres dopuszczalnych zmian napicia wejciowego Uwemin do Uwemax minimalny spadek napicia pomidzy wyjciem, a wejciem potrzebny do waciwej stabilizacji napicia wyjciowego (dropout voltage - niektre okrelenia angielskie s naprawd bardziej zwize) wspczynnik stabilizacji napiciowej (line regulation) Su=DUwy/DUwe (im mniejsza jego warto tym lepiej) wspczynnik stabilizacji prdowej lub jak kto woli obcieniowej (load regulation) rezystancja wyjciowa Rwy=DUwy/DIwy sprawno energetyczna h=(Uwy Iwy)/(Uwe Iwe) Stabilizatory liniowe

Ukady parametryczne Najprostszym stabilizatorem napicia jest ukad z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku 11.1.

Takie i podobne ukady nazywane s rwnie stabilizatorami parametrycznymi. Rysunek 11.2

doskonale ilustruje waciwoci ukadu z rysunku 11.1 jako stbilizatora. Jak dziaa dioda zenera moesz zobaczy w dziale Diody. Z rys.11.2 wida e zmiany napicia wejciowego DUwe pocigaj za sob zmiany prdu diody DID, to jednak nie pociga za sob duych zmian napicia wyjciowego DUwy i mona przyj, e pozostaje ono stae i rwne napiciu zenera UZ.

Mae zmiany napicia wyjciowego mona wytumaczy jeszcze inaczej. Ukad z rysunku 11.1 mona potraktowa jako dzielnik napicia skadajcy si z rezystancji R i rezystancji diody RD (ukad ten rozpatrujemy jako nie obciony rezystancj RL). Rezystancja RD okrelana jest jako rezystancja przyrostowa gdy zaley od DUwy i DID i mona j przedstawi wzorem

RD=DUwy/DID

Rozpatruj wic ten ukad jako dzielnik napicia mona powiedzie, e znikomy przyrost napicia wyjciowego DUwy jest wynikiem podziau przyrostu napicia wejciowego DUwe w stosunku wyznaczonym przez rezystancje R i RD, co mona przedstawi wzorem

DUwy=DUwe (RD/(R + RD))

Przeksztacajc ten wzr mona wyliczy wspczynnik stabilizacji napicia oznaczony symbolem Su

Su=DUwy/DUwe=RD/(R + RD)

Z przedstawionego wyej wzoru wida, e aby uzyska dobr stabilizacj, a wic may wspczynnik Su, to rezystancja R powinna by znacznie wiksza w stosunku do RD. Dla wikszoci diod Zenera warto rezystancji RD wynosi od kilku do kilkudziesiciu W i do tego jeszcze zaley od prdu pyncego przez t diod czyli ID. Zwikszajc rezystancj R poprawi si wspczynnik stabilizacji ale jednoczenie zmniejszeniu ulegnie warto prdu wyjciowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie ukadu z rysunku 11.1 jako stabilizatora. Ukady takie maj wic zastosowanie jako rda napicia referencyjnego. Lepszym rozwiazaniem ukadu z rysunku 11.1 jest jego modyfikacja przedstawiona na rysunku 11.3.

Jest to ukad wzbogacony o tranzystor T pracujcy w jako wtrnik emiterowy. Na wyjciu tego ukadu pojawia si napicie rwne

Uwy=UZ- UBE

Korzyci z zastosowania tranzystora jest to, e mona zwikszy rezystor R nie powodujc zmniejszenia prdu wyjciowego, poniewa nawet przy bardzo maym prdzie bazy IB, ktry jest dla diody D prdem obcienia, prd wyjciowy Iwy jest duy i mona go przedstawi wzorem (patrz dzia Tranzystory - bipolarne)

Iwy=IB (b + 1)

Ukad z rysunku 11.3 jak wida jest troch lepszym ukadem ni ten z rys. 11.1, lecz jego zastosowanie ogranicza si rwnie do prostych i nie wymagajcych ukadw.

Ukady ze sprzeniem zwrotnym Na rysunku 11.4

przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory s chyba najbardziej rozpowszechnionymi ukadami zasilajcymi urzdzenia maej i redniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzeniem zwrotnym, zarwne w postaci scalonej jak i budowane z elementw dyskretnych musz skada si z nastpujcych blokw: elementu regulacyjnego

wzmacniacza bdu rda napicia odniesienia (lub inaczej - rda referencyjnego) ukadu prbkujcego Oprcz wymienionych blokw stabilizatory wyposaane s rwnie w rnego rodzaju ukady zabezpieczajce. Istot dziaania stabilizatorw ze sprzeniem zwrotnym jest to, e ukad dziki mechanizmowi sprzenia zwrotnego ledzi zmiany napicia wyjciowego i przeciwdziaa im w taki sposb aby napicie wyjciowe pozostao niezmienne. Jak to si dzieje? Napicie wyjciowe jest podawane poprzez ukad prbkujcy na wejcie wzmacniacza bdu. Ukdem prbkujcym jest ukad dzielnika napicia zoony z rezystorw R2 i R3. Napicie na wejciu wzmacniacza bdu wynosi wic

UR3=g Uwy

gdzie

g=R3/(R2 + R3)

Na drugie wejcie wzmacniacza bdu podawane jest napicie wzorcowe Uref (lub jak kto woli referencyjne czy te odniesienia). Rnica napi na wejciach wzmacniacza bdu nazywana jest sygnaem bdu. Sygna bdu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzcych zmian na wyjciu stabilizatora) na wejcie elementu regulacyjnego, czyli na baz tranzystora T. Jeeli napicie na wyjciu stabilizatora "chce" z jakich powodw zwikszy si, to sygna bdu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napicia wyjciowego (gdy zwiksza si napicie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napicia wyjciowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napicie na wyjciu ulega zwikszeniu (napicie UCE zmniejsza si). Tak wanie dziaa ujemne napiciowe sprzenie zwrotne zastosowane w ukadach stabilizatorw liniowych (ze sprzeniem zwrotnym oczywicie). Patrzc na schemat blokowy mona uoy rwnanie, ktre bdzie podstaw do projektowania (obliczania) elementw skadowych stabilizatora dziaajcego zgodnie z

powyszym opisem. Aby to rwnanie uoy naley przyj, e wzmacniacz bdu posiada wzmocnienie rwne -ku (znak minus wynika z ujemnego sprzenia zwrotnego). Wystarczy teraz porwna napicie otrzymane na wyjciu wzmacniacza bdu, pomniejszone o napicie UBE tranzystora regulacyjnego z napiciem wyjciowym, aby otrzyma nastpujce rwnanie

-ku (g Uwy- Uref) - UBE=Uwy

Z tego rwnania na drodze przeksztace matematycznych mona wyliczy napicie wyjciowe

Uwy=(ku Uref- UBE)/(1 + g ku)

jeeli zaoy, e wzmacniacz bdu ma wzmocnienie o duej wartoci i podzielimy licznik i mianownik powyszego wzoru przez ku to otrzyma si wzr przybliony opisujcy napicie wyjciowe stabilizatora

Uwy=Uref (1 + R2/R3)

Otrzymane rwnanie pokazuje, e napicie wyjciowe stabilizatora Uwy musi osiga tak warto aby napicie na rezystorze R3 miao warto rwn napiciu referencyjnemu Uref

UR3=g Uwy=Uref

wtedy napicie wyjciowe jest stae i nie zmienia si i to jest to o co chodzi w stabilizatorze.