🔋 Usměrňovače a napájecí zdroje

Ze zásuvky do čipu

O čem to je

V zásuvce je střídavé napětí 230 V. Mikrokontrolér ale potřebuje stálých 5 V nebo 3,3 V stejnosměrných. Cestu od jednoho k druhému obstarává napájecí zdroj. Jeho části si teď projdeš jednu po druhé.

Nové pojmy

Transformátor a efektivní hodnotaTransformátor mění velikost střídavého napětí a odděluje obvod od sítě. Střídavé napětí se udává efektivní hodnotou; jeho vrchol je √2krát (asi 1,41krát) větší.Transformátor 230/12 V: na výstupu 12 V efektivních, vrchol asi 17 V.
Připomenutí: dioda a kondenzátorDioda propustí proud jen od anody ke katodě, při vedení na ní zůstane asi 0,7 V. Kondenzátor umí uložit náboj a pak ho vydávat.
UsměrňovačObvod z diod, který ze střídavého napětí udělá napětí jedné polarity. Je ale pulzující – kolísá od nuly do vrcholu.Můstek ze 4 diod v nabíječce.
Filtr (vyhlazovací kondenzátor)Velký kondenzátor za usměrňovačem. Na vrcholu vlny se nabije a mezi vrcholy dodává proud zátěži. Pulzy tím vyhladí na téměř stálé napětí s malým zvlněním.Elektrolytický kondenzátor 2 200 μF.
StabilizátorObvod, který udržuje výstupní napětí stálé, i když kolísá vstupní napětí nebo odběr.Integrovaný stabilizátor 7805 dává 5 V.

Cesta energie zdrojem

  1. transformátor sníží 230 V AC na menší napětí a oddělí obvod od sítě
  2. usměrňovač udělá z obou půlvln pulzy jedné polarity
  3. kondenzátor pulzy vyhladí
  4. stabilizátor drží přesně 5 V
  5. zátěž (mikrokontrolér) dostává stálé napětí

Projdi blokové schéma zdroje krok za krokem. U každého kroku si řekni, jak vypadá napětí na jeho výstupu.

Jednocestný a dvoucestný usměrňovač

Jednocestný usměrňovač má jednu diodu. Propustí jen kladné půlvlny, záporné zahodí. Dvoucestný můstkový (Graetzův) má čtyři diody a obrátí i zápornou půlvlnu, takže využije obě.

Transformátor dává 12 V (efektivní). Na jaké napětí se naprázdno nabije filtrační kondenzátor za Graetzovým můstkem?
Vrchol: 12 · √2 ≈ 17 V. Proud teče vždy přes dvě diody, úbytek 2 · 0,7 = 1,4 V. Kondenzátor se nabije asi na 15,6 V.
Stabilizátor 7805 dává 5 V, vstup má 12 V a zátěž odebírá 0,5 A. Jaký výkon se na stabilizátoru mění v teplo?
P = (12 − 5) · 0,5 = 3,5 W. To je hodně, stabilizátor potřebuje chladič. Proto se při velkých rozdílech napětí používají spínané zdroje.
Spínaný zdrojZdroj, který napětí velmi rychle spíná tranzistorem a mění ho přes malý transformátor nebo cívku. Ztrácí málo energie jako teplo a je lehký. Síť se v něm usměrňuje hned na vstupu, takže uvnitř je vysoké stejnosměrné napětí.Nabíječka mobilu nebo zdroj 24 V na DIN lištu v rozvaděči.
✗Zdroj je vytažený ze zásuvky, takže na desce uvnitř nemůže být nebezpečné napětí.
✓Filtrační kondenzátory na primární straně spínaného zdroje mohou zůstat nabité na více než 300 V. Před prací se musí vybít a změřit.

Kondenzátor drží náboj, dokud ho nic nevybije. Síťovou část zdroje smí opravovat jen osoba s elektrotechnickou kvalifikací.

Zdroj: transformátor → usměrňovač → filtrační kondenzátor → stabilizátor. Graetzův můstek využije obě půlvlny. Kondenzátor se nabije na vrcholové napětí minus úbytky na diodách.

Návrh zdroje

O čem to je

Potřebuješ napájet čidla 5 V s odběrem 0,5 A. Jaký transformátor, jaké diody, jak velký kondenzátor? Tady je postup s výpočty a srovnání lineárního a spínaného zdroje.

Nové pojmy

UsměrňovačObvod z diod, který mění střídavé napětí na pulzující stejnosměrné. Jednocestný (1 dioda) využije jednu půlvlnu, dvoucestný můstkový (Graetz, 4 diody) obě.Můstek bývá i jako jedna součástka se 4 vývody (~, ~, +, −).
Zvlnění ΔUO kolik napětí na filtračním kondenzátoru klesne mezi dvěma nabíjecími pulzy. Přibližně ΔU ≈ I / (f_z · C), kde f_z je frekvence pulzů (jednocestný 50 Hz, dvoucestný 100 Hz).Větší kondenzátor nebo menší odběr = menší zvlnění.
Lineární stabilizátorStabilizátor, který přebytečné napětí „spálí“ v teplo. Potřebuje vstupní napětí vyšší o úbytek (u 78xx asi 2 V). Ztráta P = (U_vst − U_výst) · I.7805 (5 V), 7812 (12 V); záporné verze 79xx.
Spínaný zdrojZdroj, který napětí rychle spíná tranzistorem (desítky až stovky kHz) a mění ho přes malý transformátor nebo cívku. Má malé ztráty a je lehký.Nabíječka mobilu, zdroj počítače, zdroj na DIN lištu 24 V.

Porovnání

jednocestnýdvoucestný (Graetz)
počet diod14
frekvence pulzů při 50 Hz50 Hz100 Hz
úbytek na diodáchasi 0,7 Vasi 1,4 V
zvlnění se stejným Cvětšípoloviční
lineární zdrojspínaný zdroj
účinnostnízká (teplo na stabilizátoru)vysoká, často přes 80 %
hmotnostvelký síťový transformátormalý a lehký
rušenímalévětší, potřebuje odrušení

Postup návrhu lineárního zdroje 5 V

Urči odběr zátěže I a výstupní napětí (5 V).
Stabilizátor potřebuje na vstupu aspoň U_výst + úbytek (7805: aspoň asi 7 V, i v dolním bodě zvlnění).
Zvol kondenzátor tak, aby ΔU nesnížilo napětí pod toto minimum.
Z vrcholového napětí na kondenzátoru urči efektivní napětí transformátoru: U_ef ≈ (U_C + 1,4) / √2.
Spočítej ztrátu na stabilizátoru a navrhni chladič.
Graetzův můstek, odběr 0,5 A, kondenzátor 2 200 μF. Jaké bude zvlnění?
Dvoucestný → f_z = 100 Hz. ΔU ≈ 0,5 / (100 · 0,0022) = 0,5 / 0,22 ≈ 2,3 V.
Kondenzátor se nabíjí na 11 V a zvlnění je 2,3 V. Stačí to pro 7805?
Nejnižší napětí: 11 − 2,3 = 8,7 V. Stabilizátor potřebuje asi 7 V. Stačí, rezerva 1,7 V.

Doplň věty a ke každé si řekni proč.

✗Elektrolytický kondenzátor ve zdroji zapojím libovolně, je to jen kondenzátor.
✓Elektrolytický kondenzátor se zapojuje se správnou polaritou a s jmenovitým napětím s rezervou nad napětím, které na něm bude.

Přepólovaný nebo přetížený elektrolyt se zahřívá a může prasknout či vybuchnout.

Dvoucestný můstek: 100 Hz pulzy, úbytek asi 1,4 V. Zvlnění ΔU ≈ I / (f_z · C). Lineární stabilizátor potřebuje úbytek a mění rozdíl napětí v teplo, spínaný zdroj je účinnější a lehčí.
🚦Diody: usměrňovací, Zenerova a LED🎛️Bipolární tranzistor