10.1 Napájanie obvodov
Nevyhnutnou súčasťou každého elektronického zariadenia je napájací obvod. I keď napájacie obvody nie sú v porovnaní s inými elektronickými zariadeniami tak zložité,
napriek tomu na ich funkcii, presnosti a spoľahlivosti závisí činnosť celého zariadenia. Preto je treba venovať napájaniu elektronických zariadení patričnú pozornosť.
Úlohou napájacích zdrojov je dodať do jednotlivých funkčných celkov elektronického zariadenia potrebnú elektrickú energiu, spravidla jednosmernej sústavy s požadovaným
prevádzkovým napätím alebo prúdom. Charakteristická je pritom ustavičná zmena požiadaviek na dodávku elektrickej energie.
Obr.10.1 Bloková schéma napájacieho zdroja
Zmenu striedavého napätia na menšiu alebo väčšiu hodnotu striedavého napätia možno uskutočniť transformátorom. Najväčší význam má usmerňovač, ktorý mení striedavé napätie
znížené transformátorom a následne usmernené na jednosmerné výstupné napätie. Úlohou filtrov je vyhladiť toto napätie ako filter môžeme použiť filtračný kondenzátor, alebo
dolnopriepustný filter tvorený integračným článkom RC alebo LC. Výstupné napätie má byť nezávislé od zmien vstupného napätia, zaťaženia a teploty. Preto sa často používajú
v súčinnosti s napájacími zdrojmi stabilizátory.
Pri napájacích zdrojoch nás zaujímajú najmä tieto charakteristické veličiny: rozsah výstupného napätia a prúdu, maximálny výstupný výkon, stabilita výstupného napätia, vnútorný odpor,
teplotná závislosť výstupného napätia, zvlnenie výstupného napätia, odolnosť proti skratu, teplotný rozsah, rozmery a cena. [2]
Jednocestný usmerňovač
Jednocestný usmerňovač je z troch základných druhov zapojení, najjednoduchší a najlacnejší. Nevýhodou jednocestných usmerňovačov je veľké zvlnenie usmerneného prúdu. Používa sa preto tam kde, sa na výsledok usmernenia nekladú osobitné požiadavky.
Dióda prepúšťa prúd len v kladných polperiódach a počas zápornej polperiódy neprepúšťa prúd. Stredná hodnota výstupného napätia je:
Výstupné napätie je 0,45 násobok efektívnej hodnoty vstupného napätia. Jednosmerný prúd je veľmi zvlnený. Ak sa vyžaduje menšie zvlnenie prúdu tečúceho záťažou,
potom je vhodné pripojiť filter . Vplyv kondenzátora na priebeh usmerneného napätia spočíva v tom, že pri stúpaní striedavého napätia od nuly až po maximum sa
kondenzátor nabíja a pri klesaní striedavého napätia sa kondenzátor vybíja cez záťaž a predlžuje čas, počas ktorého prúd tečie do záťaže až do nasledujúce periódy.
Kondenzátor zvyšuje strednú hodnotu usmerneného prúdu.
Dvojcestný usmerňovač Dokonalejší, ale zložitejší ako jednocestný usmerňovač je dvojcestný usmerňovač. Vyžaduje dve usmerňovacie diódy a transformátor
s dvojitým sekundárnym vinutím, ktorým sa získavajú dve striedavé napätia, vzájomne fázovo obrátené. Zvlnenie usmerneného napätia je podstatne menšie ako pri jednocestnom usmerňovači.
Zapojenie predstavuje dva paralelne zapojené jednocestné usmerňovače. Obe sekundárne vinutia transformátora pracujú striedavo.
Využíva sa teda obidvoch periód striedavého napätia a preto frekvencia zvlnenia usmerneného napätia na výstupe sa rovná dvojnásobku frekvencie vstupného napätia.
Stredná hodnota výstupného napätia je dvojnásobná ako pri jednoimpulzovom zapojení.
Mostíkové (Graetzovo) zapojenie usmerňovača
Usmernenie obidvoch polvĺn striedavého prúdu bez špeciálneho transformátora s dvojitým sekundárnym vinutím umožňuje mostíkový usmerňovač. Oproti dvojcestnému zapojeniu má výhodu,
že potrebuje len polovičné napätie sekundárneho vinutia pri rovnakom usmernenom napätí. Diódy môžu mať taktiež nižšie inverzné napätie a transformátor je menší ako pri dvojcestnom
usmerňovači rovnakého výkonu. Mostíkový usmerňovač umožňuje dvojcestné usmernenie aj bez použitia transformátora.
Predpokladajme, že horný vývod sekundárneho vinutia transformátora má kladnú polaritu voči dolnému vývodu, potom diódy 1 a 3 sú v priamom
smere a diódy 2 a 4 v spätnom smere. Keď je napätie zdroja záporné, nastáva opačná situácia a diódy 2 a 4 sú vodivé a diódy 1 a 3 sú nevodivé.
Z uvedeného vyplýva že počas kladnej a zápornej polperiódy, vedú vždy dve diódy zapojené v sérii. Ako v predchádzajúcich prípadov kondenzátor C plní funkciu vyhladzovacej kapacity. [1][3][5]
Na napájacie zdroje pre elektronické zariadenia kladieme požiadavky nielen na minimálnu veľkosť zvlnenia jednosmerného napätia, ale aj na udržanie jeho konštantnej
hodnoty na záťaži pri kolísaní napätia zdroja, alebo pri zmenách zaťažovacieho prúdu. Zariadenia, ktoré vyrovnávajú vznikajúce napäťové zmeny na záťaži, sa nazývajú
stabilizátory napätia. Charakteristickými veličinami stabilizovaného zdroja napätia sú predovšetkým rozsah výstupného napätia, maximálny výstupný výkon, stabilita výstupného signálu,
odolnosť proti skratu, rozmery, teplotný rozsah, cena. Výstupné napätie U2 stabilizovaného zdroja napätia ovplyvňujú predovšetkým:
Pre ideálny napäťový zdroj musia byť všetky parciálne derivácie nulové. Úlohou stabilizátorov je udržiavať konštantné výstupné napätie, príp. prúd napájacieho zdroja pri kolísaní vstupného napätia, ako aj pri zmenách teploty a zaťaženia.
Stabilizátor väčšinou znižuje aj šumové a rušivé napätia superponované na jednosmerné napätie. Stabilizátory napätia rozdeľujeme podľa umiestnenia riadiaceho prvku voči záťaži na paralelne a sériové. U paralelného stabilizátora je riadiaci
prvok umiestnený v priečnej vetve a jeho odpor sa mení v závislosti na stabilizovanom napätí U2. Sériový stabilizátor
má riadiaci prvok umiestnený v pozdĺžnej vetve a jeho odpor tiež závisí od výstupného napätia U2.
Stabilizátory bez regulácie Pri stabilizátoroch bez regulácie možno napätie stabilizovať pomocou stabilizačného prvku zapojeného do série s predradným odporom a paralelne k záťaži. Typickým predstaviteľom parametrického stabilizátora
je zapojenie so Zenerovou diódou. Využíva sa tu nelineárneho prvku so stabilnou voltampérovou charakteristikou.
Charakteristiku Zenerovej diódy v oblasti jej využitia (medzi bodmi 1 a 4) možno nahradiť priamkou. Potom pri zmene zaťaženia
Zenerovej diódy v tejto oblasti platí
ΔU1≈ ΔIZ.rd. Zapojenie je navrhnuté tak, aby pracovný bod ležal v bode 2. Ak sa vstupné napätie zvýši o ΔU1, pracovný bod sa presunie z bodu 2 do bodu 3
a výstupné napätie sa zvýši o ΔU2. Čím strmšia je charakteristika diódy v Zenerovej oblasti, tj. čím menší je diferenciálny odpor diódy rz, tým menšia je
zmena výstupného napätia. Vstupné napätie môže stúpnuť až do hodnoty, ked‘ sa pracovná priamka rovnobežne posunie z bodu 3 do bodu 4. Zo strany minimálneho
vstupného napätia je hodnota určená polohou pracovného bodu v mieste 1. Oblasť využitia je potom vymedzená pretekajúcimi prúdmi IZmin až IZmax. Diferenciálny
odpor Zenerovej diódy má byť čo najmenší, aby zmeny výstupného napätia bo minimálne. Činiteľ stabilizácie S býva obyčajne v rozsahu hodnôt 5 až 10.
Ak požadujeme váčší výkon parametrického stabilizátora, možno pripojit‘ na jeho výstup tranzistorový emitorový sledovač. Parametrické stabilizátory
majú hodne nedostatkov, ktoré vylučujú ich použitie v mnohých aplikáciách. Je to hlavne závislosť vnútorného odporu na použitej súčiastke, zmena činiteľa
stabilizácie od prúdového zaťaženia a nemožnosť regulovania výstupného napätia. Nedostatkom je tiež malý výstupný výkon a citlivosť na zmeny vstupného napájacieho napätia.
Stabilizátory s reguláciou spojitou Základný princíp stabilizátorov so spojitou reguláciou (s lineárnou spätnou väzbou) spočíva v porovnaní veľkosti výstupného napätia s napätím referenčného zdroja.
Výsledná odchýlka sa zosilní a privádza sa na aktívny elektronický obvod, realizovaný väčšinou tranzistorom, ktorý odchýlku výstupného napätia minimalizuje.
Tieto regulátory sa tiež často nazývajú stabilizátory so spätnou väzbou. Zapojenie sériového regulátora sa používa častejšie ako zapojenie paralelného regulátora.
Výstupné stabilizované napätie U2 sa privádza na jeden vstup porovnávacieho obvodu, zatiaľ čo na druhý vstup sa privádza napätie zo zdroja
referenčného napätia UN. Odchýlka ΔU sa zosilní v zosilňovači AU-krát a privádza sa na regulačný obvod. Zosilnená odchýlka spôsobí takú zmenu odporu regulačného obvodu,
že pôsobí proti zmene, ktorá odchýlku vyvolala. Zdrojom referenčného napätia je obyčajne parametrický stabilizátor. Aby tento zdroj referenčného napätia mal požadovanú stabilitu,
musí mať porovnávací obvod veľký vstupný odpor.
Stabilizátory s reguláciou nespojitou (impulznou)
Stabilizátory s nespojitou (impulznou) reguláciou stabilizujú výstupné napätie využitím výkonového regulačného člena len v určitých, časovo obmedzených intervaloch.
U spojitého lineárneho regulátora ovláda odchýlka výstupného napätia od menovitej hodnoty spojite a proporcionálne odpor výkonového regulačného člena v ľubovoľnom okamihu tak,
aby výstupné napätie sa blížilo konštantnej hodnote. Z toho však vyplýva pomerne veľká výkonová strata na regulačnom člene a teda aj malá účinnosť spojitej regulácie.
Nespojitá impulzná regulácia umožňuje výrazne redukovať výkonovú stratu na regulačnom člene. V tomto prípade pracuje regulačný prvok ako riadený spínač. Prúd nim preteká
len počas určitého intervalu pracovného cyklu. Výhodou je i to, že výkonová strata v podstate nezávisí od rozdielu hodnôt vstupného a výstupného napätia (Un – Us),
ale len na kolektorovom prúde tranzistora. Možnosť použiť spínací regulačný člen je podmienená jeho vzájomnou súčinnosťou s filtračným členom, ktorý na rozdiel od aplikácie v spojitom regulátore,
musí mať výrazný akumulačný charakter. Filtračný člen je pre väčšie výstupné výkony vždy typu LC.
Princíp činnosti viazanej dvojice spínač - akumulačný filter spočíva v tom, že energia odobratá meničom v jednom (aktívnom) intervale pracovného cyklu je filtrom akumulovaná.
V druhom (pasívnom) intervale, kedy je spínač S rozpojený je záťaž napájaná energiou, ktorá je akumulovaná filtrom. Regulácia prebieha v naväzujúcich pracovných cykloch Tc = Ta + Tb‚
kde Ta je aktívny interval (spínač S zopnutý), kedy filter akumuluje energiu a Tb pasívny interval (spínač S rozopnutý), kedy záťaž odoberá energiu akumulovanú vo filtri. [1][2][4]
10.2 Usmerňovače
Obr.10.2 Jednocestný usmerňovač
(10.1)
Obr.10.3 Dvojcestný usmerňovač
(10.2)
Obr.10.4 Mostíkové zapojenie usmerňovača
10.3 Stabilizátory
- zmeny vstupného napájacieho napätia ( ΔU1)
- zmeny zaťaženia na výstupe (ΔI2 )
- zmena teploty ( ΔT )
- dlhodobé časové zmeny ( Δt )
Pre malé zmeny výstupného napätia ΔU2 stabilizovaného napäťového zdroja platí:
(10.3)
Podľa spôsobu stabilizácie ich rozdeľujeme:
a) stabilizátory bez regulácie (parametrické)
b) stabilizátory s reguláciou - spojitou
- nespojitou
Obr.10.5 Charakteristika Zenerovej diódy
Obr.10.6 Stabilizátor so spojitou sériovou reguláciou
