Jednoduché usměrňovače, filtry, stabilizátory

Napájecí zdroje byly a zůstávají nejdůležitější a nenahraditelnou součástí každého elektronického obvodu. Pro zajištění obvodů potřebným napětím se používají buď autonomní zdroje energie – baterie, akumulátory, nebo při napájení rádiových zařízení ze sítě střídavého proudu síťové zdroje. Pro snížení síťového napětí z 220 V na hodnoty přijatelné pro napájení tranzistorových obvodů a pro zajištění spolehlivé ochrany uživatele před úrazem elektrickým proudem je použit redukční transformátor (obr. 35.1, 35.16). Ve velmi vzácných případech se používají beztransformátorová napájecí zařízení, v tomto případě však musí být všechny ovládací prvky zařízení (kliky, spínače atd.) a pouzdro spolehlivě izolovány od sítě. Při používání takových zařízení je nutné přísné dodržování bezpečnostních předpisů!

Níže zvážíme hlavní možnosti napájecích obvodů pro radioelektronická zařízení.

Nejjednodušší usměrňovač – AC-DC měnič – je na Obr. 35.1, 35.6. Na sekundární (snižovací) vinutí transformátoru je připojena jedna polovodičová dioda VD1. Tato dioda propouští pouze jednu půlvlnu střídavého napětí (půlvlnné usměrnění), proto je pro vyhlazení zvlnění proudu na výstupu usměrňovače nutné zařadit velkokapacitní elektrolytický kondenzátor C1. Paralelně je k němu připojen zátěžový odpor. Nevýhody takového usměrňovače jsou zřejmé: zvýšené zvlnění usměrněného napětí, nízká účinnost. Velikost zvlnění bude tím větší, čím menší bude kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 zvlnění napětí a tím menší bude zatěžovací odpor. Výstupní napětí takového usměrňovače při provozu bez zátěže je 1xUab.

Na Obr. Obrázek 35.2 ukazuje obvod nejjednoduššího usměrňovače – bipolárního budiče výstupního napětí. Účinnost takového usměrňovače je vyšší a pro tento obvod plně platí všechny předchozí úvahy.

Obvod můstkového usměrňovače obsahuje čtyři diody a je znázorněn na Obr. 35.3. Takový obvod je připojen ke zdroji střídavého proudu, např. k bodům A a B oddělovacího transformátoru (obr. 35.1). Usměrňovač má vyšší účinnost, proudy ve větvích můstku jsou rozloženy rovnoměrně. Nevýhodou obvodu jsou dvojnásobné ztráty na sériově zapojených usměrňovacích diodách (vlivem „dopředného“ napětí). Výstupní napětí obvodu usměrňovacího můstku při provozu bez zátěže je rovněž 1,41 xUAB.

Pro usměrnění a znásobení výstupního napětí použijte obvody znázorněné na Obr. 35.4 a 35.5. Často se takové obvody používají v měničích napětí, včetně beztransformátorových, a také v obvodech pro výrobu vysokého napětí (až desítek kilovoltů) v televizních přijímačích, ozonizérech a lapačích prachu.

Ve většině případů musí být usměrněné napětí pečlivě odfiltrováno od zvlnění AC sítě. Pokud je filtrace špatná, nebude z reproduktorů slyšet hudba nebo řeč, která potěší duši, ale nízkofrekvenční hučení nebo dunění, takzvané „pozadí“ střídavého proudu. Čím vyšší je kvalita napájecího napětí, tím lépe bude rádiové zařízení fungovat. Nefiltrovaný výkon lze použít pouze pro stejnosměrné motory, osvětlení a topná zařízení.

LC a RC filtry slouží k vyhlazení výstupního napětí usměrňovačů. Nejjednodušší z nich (L=0, R=0) – kapacitní – je na Obr. 35.1 a 35.6. Toto schéma je skutečně velmi jednoduché. Je však nemožné zvyšovat kapacitu filtračního kondenzátoru donekonečna: zvětšují se rozměry a náklady na kondenzátor a snižuje se spolehlivost zařízení jako celku. Hrozí nebezpečí, že při připojení zařízení k síti dojde k poškození diody VD1 nebo vinutí transformátoru: nenabitý kondenzátor přece představuje v okamžiku zapnutí zkratovaný prvek. V tomto okamžiku prochází vinutím transformátoru a diodou zkratový proud, který mnohonásobně překračuje povolené hodnoty a způsobuje jejich poškození.

Pro redukci proměnné složky na výstupu usměrňovače se používají indukční (tlumivky) a odporově kapacitní filtry tvaru L a U (obr. 35.7 – 35.9) a jejich sériové zapojení. Připomeňme, že pokud je aktivní odpor (rezistor) stejný pro stejnosměrný i střídavý proud, pak je kondenzátor pro stejnosměrný proud otevřený obvod a pro střídavý proud v ideálním případě slouží jako zkrat (viz také kapitola 3). . Indukčnost (tlumivka) také v ideálním případě představuje nekonečně malý odpor stejnosměrnému proudu a nekonečně velký odpor střídavému proudu. Proto je jako filtrační prvek vhodnější použít tlumivky místo rezistorů. Tlumivky však mají značné rozměry, hmotnost a cenu a jsou vzácnějšími a méně spolehlivými prvky ve srovnání s konvenčními odpory.

Tranzistorové filtry se také používají v rádiových zařízeních (obr. 35.10). Radioamatér je vyzván k samostatnému testování a porovnání různých typů usměrňovačů a filtrů s různými parametry prvků v nich obsažených. Pro řízení „kvality“ výstupního napětí lze použít VLF nebo osciloskop, jehož vstup je napájen usměrněným napětím přes oddělovací kondenzátor. Zesilovač musí přijímat napájení z baterií (baterie) nebo z jiného zdroje s dobrou filtrací výstupního napětí. Jako jednoduchý tester kvality filtru můžete použít telefonní kapsli, připojenou rovněž k výstupu usměrňovače nebo filtru přes izolační kondenzátor.

Dále budou uvažovány jednoduché proudové (obr. 35.11 – 35.15) a napěťové (obr. 35.16 – 35.20) stabilizátory. Proudové stabilizační obvody se často používají v pulzních generátorech k nabíjení časovacích kondenzátorů stejnosměrným proudem a také v měřicí technice např. při měření odporu. Na Obr. Na obrázcích 35.11 a 35.12 jsou znázorněny obvody stabilizátorů proudu [MK 5/86-XVI] Při zvýšení napětí na takové dvousvorkové síti (obr. 35.11) dojde k samovolnému omezení proudu. Hodnotu rezistorů R1 a R2 lze určit jako:

Na Obr. 35.12 a 35.13 ukazují další schémata omezení a stabilizace proudu. S rostoucím proudem proudovým snímačem R2 (obr. 35.12) nebo R1 a paralelně k němu připojeným potenciometrem R3 (obr. 35.13) [F 1/76-21] se předpětí na bázi tranzistoru VT2 (obr. 35.12) nebo VT1 (obr. 35.13) klesá ). Tranzistory se plynule v poměru k proudu protékajícím odpory vypnou a proud se stabilizuje. V určitých mezích je omezovací proud (obr. 35.13) plynule řízen potenciometrem R3.

Na Obr. Obrázek 35.14 ukazuje obvod stabilizátoru proudu založený na tranzistoru s efektem pole. S rostoucím proudem přes rezistor R1 se mění předpětí na řídicím (3 – AND) přechodu tranzistoru, plynule se uzavírá a omezuje zatěžovací proud.

Proudový stabilizátor na bázi mikroobvodu, který obsahuje několik desítek prvků (obr. 35.15), může poskytovat široký rozsah zatěžovacích proudů [J. Whitson]. Proud dokáže stabilizovat i oblíbený čip stabilizátoru napětí. Velikost stabilizovaného proudu v zátěži se vypočítá následovně: lH=(UBb|X/R1)+10 mA, kde lH je v mA 11out je ve V; R1 – v kOhm.

Na Obr. Obrázek 35.16 ukazuje schéma jednoduchého stabilizovaného zdroje. Obsahuje snižovací transformátor, můstkový usměrňovač, kondenzátorový filtr a polovodičový regulátor napětí. Obvod stabilizátoru napětí umožňuje plynule regulovat výstupní napětí v rozsahu od 0 do 12 V a je chráněn před zkraty na výstupu. Pro napájení nízkonapěťové páječky a pro experimenty se střídavým elektrickým proudem je k dispozici přídavné vinutí transformátoru. Je zde indikace konstantního napětí (HL2 LED) a střídavého napětí (HL1 LED). K zapnutí celého zařízení se používá přepínač SA1 a páječka – SA2. Zátěž je vypnuta pomocí SA3. K ochraně střídavých obvodů před přetížením jsou k dispozici pojistky FU1 a FU2. Hodnoty výstupního napětí jsou vyznačeny na knoflíku regulátoru výstupního napětí (potenciometr R4).

Na Obr. Na obr. 35.17 je fragment obvodu upraveného stabilizátoru (obr. 35.16) s indikací zkratu v zátěži. V normálním režimu svítí zelená LED, když je zátěž zavřená, svítí červená LED.

Velmi jednoduchý a kvalitní stabilizátor na specializovaném čipu řady K142EN je na Obr. 35.18. Tranzistorové stabilizátory jsou na obr. 35.19 a 35.20 [R 4/81-61]. Pro velké zatěžovací proudy by měl být tranzistor VT4 (obr. 35.20) namontován na chladičovou desku z neželezného kovu.

Literatura: Shustov M.A. Praktický návrh obvodů (Kniha 1), 2003