Kurs podstaw elektroniki cz. 5

Dodane przez 21 lutego 2010

Po zapoznaniu się z tranzystorami w trzeciej i czwartej części kursu elektroniki, pora na inny temat. W tej, piątej już części kursu zajmiemy się elementami wchodzącymi w skład prostego zasilacza, czyli transformatorem, diodą i kondensatorem. W artykule opisałem ich zastosowania, budowę i działanie.

Dioda

Symbol diody

Zastosowania diod

Podstawowym i głównym zastosowaniem diod jest prostowanie prądu zmiennego, czyli umożliwienie jego przepływu tylko w jednym kierunku. Z tego powodu podstawowy typ diody – dioda prostownicza jest używana do budowy prostowników, pracujących w zasilaczach.

W pierwszej części kursu zajmowaliśmy się już LED’ami, czyli diodami zdolnymi do wytwarzania światła. Inne diody też mają ciekawe właściwości –fotodiody zmieniają swoje parametry w zależności od ilości padającego na nie światła, diody pojemnościowe reagują zmianą pojemności na zmianę przyłożonego napięcia, diody tunelowe posiadają w pewnym odcinku charakterystyki ujemną rezystancję dynamiczną. Diody detekcyjne używane są w radiowych układach modulacji AM. Dioda Zenera pozwala na łatwe stabilizowanie napięcia.

Diody prostownicze i LED

Działanie diody

Działanie diody polega na przewodzeniu prądu w jednym kierunku. Można to porównać do zaworu zwrotnego w instalacji wodnej.

Diody posiadają kilka ważnych parametrów. Napięcie przebicia oznacza napięcie, którego najlepiej nie przekraczać – grozi to powstaniem dużego prądu wstecznego, czyli zakłóceniem działania diody. Może to też doprowadzić do uszkodzenia diody. Innym ważnym parametrem diody jest napięcie przewodzenia – dla diod wykonanych z różnych materiałów jest ono różne. Najpopularniejsze diody krzemowe posiadają napięcie przewodzenia wynosi 0,7V. Parametr ten oznacza minimalne napięcie jakie musi być przyłączone do diody, aby popłynął prąd (w rzeczywistości poniżej tej wartości prąd też może płynąć, ale jego wartość jest pomijalna)

Transformator

Symbol transformatora

Zastosowania transformatorów

Transformatory są zwykle używane do zmiany poziomu napięć w obwodach elektrycznych – najczęściej z napięcia sieciowego 230V na mniejsze (5V, 12V, 24V itp.), wykorzystywane do zasilania urządzeń elektronicznych. Wyjątkiem są transformatory separacyjne, posiadające napięcie wejściowe takie samo jak wyjściowe.

Transformatory mogą mieć różne rozmiary w zależności od mocy – od małych, wlutowywanych w płytkę, po ważące kilkadziesiąt lub kilkaset kilogramów bestie, pracujące w stacjach transformatorowych. Mogą się też różnić ilością uzwojeń, czyli ilością napięć wyjściowych. Często spotykane są dwa takie same uzwojenia wtórne (wyjściowe), czasem połączone wspólnym wyprowadzeniem – są to tzw. uzwojenia symetryczne. Tego typu transformatory są często używane do zasilania wzmacniaczy audio i innych urządzeń, które wymagają symetrycznego zasilania (plus, masa i minus).

Budowa transformatora

Najczęściej transformatory budowane są z dwóch lub więcej cewek wykonanych z drutu miedzianego, nawiniętych na wspólnym rdzeniu, wykonanym z ferromagnetyka – najczęściej żelaza. Występują też transformatory nawijane na rdzeniach toroidalnych, z uwagi na optymalniejszy kształt rdzenia, posiadają nieco lepsze parametry.

Transformator

W praktycznie wszystkich transformatorach (z wyjątkiem autotransformatorów) uzwojenia pierwotne (wejściowe) i wtórne (wyjściowe) nie są połączone. Powstaje zatem pytanie, jakim cudem prąd potrafi przedostawać się z jednego uzwojenia do drugiego. Odpowiedź znajdziesz w następnym akapicie.

Działanie transformatora

Do uzwojenia pierwotnego dostarczamy prąd zmienny (najczęściej przemienny), który powoduje powstawanie zmiennego pola magnetycznego, które jest przewodzone przez rdzeń i przepływa przez uzwojenie (lub uzwojenia) wtórne. Zmiany pola magnetycznego powodują powstawanie napięcia w cewkach wtórnych – proces ten nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

Aby transformator działał, pole magnetyczne musi się ciągle zmieniać, dlatego na uzwojenie pierwotne musi być podawany prąd zmienny.

W idealnym transformatorze straty mocy nie występują. Jak na nieszczęście, taki transformator można znaleźć tylko w teoretycznych opisach, w rzeczywistości występują szkodliwe zjawiska, zmniejszające sprawność urządzenia. Energia jest tracona w rdzeniu, uzwojeniach i metalowych częściach konstrukcyjnych. Powstaje z niej głównie ciepło, dlatego transformatory o dużej mocy wymagają dobrego chłodzenia.

Czy ilość zwojów w transformatorze ma jakieś znaczenie? Oczywiście – po obliczeniu stosunku ilości zwojów po stronie wtórnej do ilości zwojów po stronie pierwotnej, otrzymamy przekładnię transformatora, określającą czy napięcie po stronie wtórnej jest zmniejszane czy zwiększane. Wzór prezentuje się następująco:

z=nwy/nwe

nwy – ilość zwojów po stronie wtórnej

nwe – ilość zwojów po stronie pierwotnej

Przykładowo, dla transformatora o 100 zwojach po stronie pierwotnej i 25 po stronie wtórnej:

z=25/100 z=0,25

Napięcie wyjściowe będzie wynosiło 0,25 napięcia wejściowego.

Kondensator

Symbole kondensatorów

Zastosowania kondensatorów

Kondensator to element mogący zgromadzić niewielki ładunek elektryczny. Dzięki tej właściwości znajduje zastosowanie w wielu typach układów. Jednym z najpopularniejszych zastosowań kondensatora jest praca w układach zasilania. Kondensator umożliwia ograniczenie wahań napięcia, co jest wykorzystywane w prostych zasilaczach, o których więcej napiszę w dalszej części tekstu.

Kondensator potrafi w bardzo krótkim czasie odprowadzić prąd o dużym natężeniu – dzięki temu układy cyfrowe mogą pracować bez zakłóceń. Nowoczesne cyfrowe układy CMOS pobierają prąd praktycznie tylko wtedy, gdy zawarte w nich tranzystory zmieniają swój stan (otwarty/zamknięty). To dlatego na płycie głównej komputera jest sporo kondensatorów ulokowanych w okolicy procesora. Z tego powodu też montuje się kondensatory odprzęgające (zwykle 100nF) przy układach scalonych. Dzięki nim układy są lepiej zasilane i mniej zakłóceń  wyprodukowanych przez nie przedostaje się po linii zasilania do innych części urządzenia.

Kondensatory są używane nie tylko w elektronice cyfrowej, jeszcze większe pole do popisu mają w układach analogowych. Stosowane są do budowy różnego rodzaju filtrów i budowania układów czasowych. Mogą zmieniać charakterystykę częstotliwościową sygnału. Często kondensator pracuje w roli sprzęgacza dwóch części układu. Kondensator o stosunkowo dużej pojemności (kilka do kilkuset µF) włączony w szereg sygnału potrafi zablokować jego stałą składową.

Działanie kondensatora

Kondensatory gromadzą ładunek elektryczny na okładkach oddzielonych od siebie warstwą dielektryka. Okładką może być w zasadzie dowolny materiał przewodzący prąd elektryczny, dielektrykiem, czyli izolatorem – nawet powietrze. Pojemność kondensatora zależy od wielkości okładek i ich odległości od siebie. Nietrudno zauważyć, że kondensatorem może być bardzo wiele elementów – nawet dwie ścieżki biegnące obok siebie na płytce. Na szczęście, pojemność utworzona między nimi jest niewielka i zwykle (przy małych częstotliwościach sygnału) pomijalna.

Pojemność kondensatorów wyrażana jest w Faradach (F), ale dla uproszczenia zapisu używa się podwielokrotności jednostki, takich jak pF, nF czy µF.

Opór kondensatora dla przepływającego przezeń prądu jest zależny od częstotliwości i jest on nazywany reaktancją. W tym kursie nie ma sensu przytaczać dosyć skomplikowanych wzorów umożliwiających jej obliczenie, warto jednak zapamiętać, że reaktancja maleje wraz ze wzrostem częstotliwości drgań przepływającego prądu.

Kondensatory posiadają maksymalne parametry, których nie warto przekraczać – grozi to uszkodzeniem lub całkowitym zniszczeniem elementu. Szczególnie efektownie wygląda to w przypadku dużych, aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.

Budowa kondensatora

Kondensator zbudowany jest z dwóch przewodników (okładek) oddzielony warstwą izolatora (dielektryka). Na poniższym rysunku możesz zobaczyć jak wyglądają najczęściej wyglądają:

Różne kondensatory

Produkowanych jest wiele typów kondensatorów, różniących się pomiędzy sobą parametrami – w tym i pojemnością. Najczęściej spotykane są:

  • Kondensatory elektrolityczne – są to kondensatory spolaryzowane, dla których ma znaczenie potencjał napięć dołączonych do wyprowadzeń. Nieprzestrzeganie tej zasady może doprowadzić do pogorszenia parametrów lub uszkodzenia kondensatora.Ujemny biegun jest zwykle stosownie oznaczany na obudowie.
    • Aluminiowe – oferują największą pojemność i są dosyć tanie (1µF do kilku tysięcy uF), ale ich inne parametry nie są najlepsze – stosunkowo duży rozmiar, problemy z poprawną pracą przy dużych częstotliwościach, duży prąd upływu. Z tych powodów używane są głównie w układach zasilania.
    • Tantalowe – Posiada lepsze parametry niż kondensatory aluminiowe, ale nie dorównuje im pojemnością maksymalną. Pojemność od kilkudziesięciu nF do kilkudziesięciu µF.
  • Kondensatory foliowe – mają małą pojemność (maksymalnie kilkanaście uF, częściej używa się mniejszych pojemności do 1µF), ale ich pozostałe parametry są lepsze niż kondensatorów elektrolitycznych. Potrafią pracować przy dużych prądach i napięciach, prąd upływowy jest znikomy.
  • Kondensatory ceramiczne – dzięki dobrym właściwościom materiałów ceramicznych można z mich konstruować małe i pojemne kondensatory, które często wykorzystywane są w nowoczesnych urządzeniach montowanych w technologii SMD. Pojemność do kilkunastu uF.
  • Kondensatory nastawne (trymery) – można zmieniać ich pojemność, choć jest ona bardzo mała – do kilkudziesięciu pF. Stosowane do strojenia obwodów.

Zasilacz

Zasilacze to jedna z podstawowych dziedzin elektroniki. Każde urządzenie elektryczne wymaga dostarczania mu energii wymaganej do pracy. Niektóre urządzenia są zasilane bateryjnie, wtedy często nie trzeba stosować dodatkowych elementów.

W nowoczesnych, małych i lekkich urządzeniach zwykle pracują przetwornice napięcia. Są one tańsze w produkcji niż zasilacze oparte o transformator, ale i bardziej skomplikowane w budowie. My zajmiemy się na razie zasilaczem transformatorowym, na bardziej zaawansowane rozwiązania przyjdzie czas.

Tradycyjny zasilacz składa się z kilku bloków. Najpierw transformator obniża napięcie sieciowe do wymaganego poziomu, później prąd przepływa przez prostownik. Tak otrzymany prąd stały jest filtrowany przez filtr zbudowany z kondensatora lub kilku kondensatorów. Jeśli wymagana jest duża stałość napięcia, w zasilaczu może pracować stabilizator.

Przykładowy zasilacz

Prostownik

Najczęściej w roli prostownika pracuje mostek Graetza, czyli cztery odpowiednio połączone diody prostownicze. Mostek można zmontować z czterech oddzielnych elementów lub kupić gotowy w pojedynczej obudowie z czterema wyprowadzeniami. Napięcie na wyjściu mostka jest mniejsze od napięcia wejściowego o około 1,5V – podwójny spadek napięcia na diodzie.

Mostek prostowniczy

Filtr kondensatorowy

Prąd po wyjściu z prostownika posiada bardzo słabe parametry. Płynie nieregularnie, impulsowo. Aby napięcie dostarczane przez zasilacz było w miarę stabilne, między obie linie zasilające wstawia się odpowiednio dużą pojemność – im większą, tym lepiej wygładzane są drgania napięcia. Dla urządzeń, które nie mają szczególnych wymagań, można stosować się do zasady: na jeden Amper pobieranego prądu należy przydzielić pojemność od 1000µF do 4000µF. Pod wpływem pojemności, napięcie na wyjściu zasilacza roście o pierwiastek z 2 (1,41).

Stabilizatory

Dawno minęły czasy, kiedy stabilizatory trzeba było samodzielnie budować z pojedynczych tranzystorów i innych elementów dyskretnych. Teraz takie sytuacje zdarzają się znacznie rzadziej, ponieważ często można zastosować gotowy, prosty w użyciu stabilizator jednoukładowy. Najpopularniejsze wśród hobbystów są układy z z serii 78XX (stabilizatory napięcia dodatniego) i 79XX (stabilizatory napięcia ujemnego). Zamiast iksów wpisujemy napięcie stabilizacji. W handlu dostępne są układy dla większości standardowych napięć np. 7805, 7812, 7915. Tego typu układy nie wymagają regulacji, a do działania wystarczają im dwa kondensatory i oczywiście obciążenie na wyjściu. Stabilizator dla niewielkich mocy można wykonać z pojedynczej diody Zenera. Podobnie jak wymienione wyżej scalone stabilizatory, są one sprzedawane w różnych wersjach, różniących się napięciem.

Linki

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, skorzystaj z pomocy Wikipedii:

Zadania

  1. Jaka jest podstawowa zasada działania diody?
  2. Jakie jest napięcie przewodzenia zwykłej diody prostowniczej?
  3. Do czego używa się transformatorów?
  4. Czy transformator będzie działał jeśli na uzwojenie pierwotne podamy prąd stały?
  5. Dlaczego montuje się kondensatory blisko wyprowadzeń zasilających cyfrowe układy.
  6. Jaki typ kondensatorów jest najpowszechniej używany w zasilaczach?
  7. Do czego służy prostownik?
  8. Kiedy stosuje się stabilizatory napięcia?

Odpowiedzi do zadań

  1. Dioda przewodzi prąd w jednym kierunku.
  2. Około 0,7V
  3. Transformatory są używane głównie do zmiany poziomów napięć.
  4. Nie, do działania transformatora wymagany jest prąd zmienny.
  5. Aby zapewnić im odpowiednie zasilanie w krótkich momentach, w których pobierają największą ilość energii i przy okazji zmniejszyć ilość emitowanych przez nie zakłóceń.
  6. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe.
  7. Prostownik zamienia prąd zmienny na stały.
  8. Gdy potrzebna jest duża stabilność napięć dostarczanych przez zasilacz.