Линеарни извори напајања
Извори једносмерног напона представљају неопходни део сваког електронског уредаја. Квалитет једносмерног напајања је од суштинског значаја за поуздан рад уређаја. Задатак извора напајања је да наизмјенични напон из мреже претвори у једносмерни, сводећи при томе његову амплитуду на жељени ниво, као и да такав једносмјерни напон учини довољно стабилним у смислу имуности на варијације мрежног напона и шумове. Поред тога, савремени извори напајања омогућавају и регулацију излазног једносмерног напона, односно подешавање његове амплитуде, смањење осетљивости на промену температуре, као и додатно fiлтрирање. То значи да се, као основни блокови извора напајања, могу разликовати исправљач, fiлтар и стабилизатор напона. Такође, извор напајања мора да обезбеди електричну изолацију између улаза и излаза, као и заштиту од преоптерећења.
Улога мрежног трансформатора је да прилагоди напон мреже на потребан ниво једносмерног потрошача, али и да изврши галванско одвајање излазног једносмерног напона од мреже. Тип трансформатора се одређује на основу излазног напона I снаге која се кроз њега преноси.
Функција блока исправљачких елемената је претварање простопериодичног напона у једносмерни пулсирајући напон. Његов рад се заснива на исправљачком својству полупроводничких диода.
Филтри у исправљачима имају задатак да из једносмерног пулсирајућег напона издвоје константну компоненту средњу вриједност. Улога филтара се може формално објаснити преко разлагања излазног сигнала са исправљачког блока у Фуријеов ред тако, да нископропусни филтар пропусти само константни члан. У физичком смислу се улога филтара може објаснити у смислу да је филтар састављен од акумулационих елемената који снабдевају потрошач енергијом када напон са исправљачког блока падне на малу вредност.
Код линеарних извора напајања се, у општем случају, улазни напон вредности Vin трансформише у излазни напон вредности Воут на принципу променљиве проводности компоненте која се налази између улаза и излаза, при чему је Vout < Vin. Ако је излазна струја Иоут, онда је снага која се дисипира на таквој компоненти (Vin − Vout)Iout. Извори напајања који се најчешће срећу у пракси трансформишу наизмјенични напон из градске мреже у стабилисани једносмјерни напон одређене врједности.
Полупроводнички исправљач уреди
У полуталасном исправљању само се позитивна или само негативна полупериода наизменичног напона пропушта кроз исправљач, што зависи од поларизације диоде. Тиме се на излазу добија свака друга полупериода са нултом вредношћу између. Овакав тип исправљача се користи када се жели уштеда на материјалу. Мана му је што отежава филтрирање, па се стога примењује само за изузетно мале снаге потрошача, којима не смета таласни облик напона. Када је генератор у позитивној полупериоди, потенцијал аноде је виши од потенцијала катоде, и диода проводи. Када је генератор у негативној полупериоди, потенцијал аноде је нижи од потенцијала катоде, и диода не проводи.
Исправљач са трансформатором са средњом тачком уреди
Када је напон на секундару трансформатора позитиван, проводи диода D1, а диода D2 је инверзно поларисана и не проводи. Када је напон на секундару трансформатора негативан, проводи диода D2, док је диода D1 инверзно поларисана. Међутим, у случаје негативне полупериоде, диода D2 је тако везана за потрошач, да ту полупериоду потрошач види као позитивну.
- Недостаци
- Тешко је лоцирати тачан центар секундарног намотаја трансформатора
- Диоде које се користе морају да имај велики напон инверзне поларизације
- Свака диода користи само једну половину циклуса секундарног напона, тако да је DC излаз мали
Пуноталасни исправљач са Грецовим спојем уреди
Грецов спој има бројне предности јер користи трансформатор са двоструко мање навојака на секундару и диоде са двоструко мањим пробојним напоном. Мана је употреба четири диоде, не због утрошка материјала, већ због двоструко већег пада напона на диодама и веће дисипације снаге, односно загрјевања. То је поготову неповољно када се генеришу мали једносмерни напони, јер се коефицијент корисног дејства исправљача веома смањује.
У пракси најзаступљеније двострано исправљање помоћу Грецовог споја. Грецов спој се може реализовати у дискретној техници помоћу четири диоде, али се данас примењује интегрисана варијанта у којој су све диоде на једном чипу, тако да је и паковање погодно за површинску монтажу на штампану плочу.
Анализа је једноставна за разумјевање кад се рад исправљача гледа одвојено за позитивну полупериоду I одвојено за негативну полупериоду улазног напона.
Филтар уреди
Облик напона на излазу из исправљача није погодан за практичну употребу, па се због тога уводи fiлтарски блок који се у најпростијем случају састоји од једног електролитског кондензатора. Полуталасни и пуноталасни исправљачи су довољни за стварање једносмерне струје, али ни један ни други не испоручују потрошачу константну једносмјерну струју. Да би се добила константа једносмерна струја на излазу мора се користити коло за пеглање напона. Филтар и исправљач имају веома велик међусобни утицај и зато се увијек анализирају заједно. Најједноставнији облик тог кола јесте са кондезатором паралелно везаним са исправљачким блоком.
Док напон на излазу исправљача расте, он пуни кондензатор и истовремено испоручује струју оптерећењу. Након четвртине периоде, када напон исправљача достигне максималну вредност, кондензатор је напуњен до максималне вредности. Након овога напон на исправљачу почиње да опада. То изазива пражњење кондензатора кроз оптерећење. Ако је капацитивност кондензатора довољно велика, кондензатор ће се спорије празнити него што опада напон на исправљачу. Тако потрошач добија напајање са мањом „таласношћу“. Уколико је капацитивност кондензатора већа то ће таласање напона бити мање. Зато се у овим случајевима најчешће користе електролитски филтри. Да би се још више смањила таласност напона, може се користити П филтар (састоји од кондензатора и калема).
- Индуктивни филтар
Филтрирање исправљеног напона и смањење водљивости може се постићи и са калемом који се веже серијски с потрошачем
- калем својим индуктивним отпором спријечава пораст струје јер се у њој индукује електромоторна сила која је супротног смјера напону
- када струја почиње опадати у калему се индукује ЕМС истог смјера као и напон и она ће подржавати протицање струје кроз потрошач чак и кад напон нестане
- ово протицање струје кроз калем није у фази с напоном U
- што је већи индуктивитет калема таласност је мања, али више опада и средња вриједност исправљене струје односно исправљеног напона
- добра страна калема је што преузима на себе све ударе напона при укључењу исправљача
- исправљач с калемом о даје нижи излазни напон
Стабилизација уреди
Због линеарности кола, свака промена амплитуде улазног напона пропорционално ће се одразити и на врједност напона, Vizl. Због тога се за додатну стабилизацију једносмјерног напона користе линеарни стабилизатори напона. То су интегрисана кола која омогућавају да врједност излазног напона буде независна од варијација улазног напона, оптерећења и температуре.
Кондензатор Ci представља паралелну везу fiлтарског кондензатора и кондензатора мање вредности (типично 1 μF), чија је улога да спрјечи евентуалну појаву осцилација у колу, посебно ако филтарски кондензатор није лоциран близу интегрисаног кола стабилизатора. Кондензатор Co има улогу додатног филтрирања, у смислу побољшања одзива стабилизатора у прелазним режимима,а типичне вредности су у опсегу (0,1–10) μF. Квалитет стабилизације излазног напона се описује параметром који се назива фактор стабилизације напона (енгл. line regulation).
На слици је приказано основно стабилизаторско коло са Зенер диодом. Излазни напон стабилизатора је одређен Зенеровим напоном употребљене диоде. Када се струја потрошача Iizl повећава, расте и струја Iul коју даје извор нестабилисаног напона. Пад напона на редно везаном отпорнику R се повећава, а струја кроз Зенер диоду Из се смањује. Напон на крајевима Зенер диоде је скоро константан без обзира на струју кроз диоду, а то значи да се потрошач напаја константним напоном.
Недостатак овог кола се огледа у томе што струја оптерећења не може бити већа од максимално дозвољене струје кроз Зенер диоду. Обично, због боље стабилизације, струја оптерећења треба да задовољи услов:
- Iiz≤0.8*Iizmax
На основу познате дисипације снаге и Зенеровог напона добијамо:
- Iizmax=Pdmax/Ud
Емпиријски је утврђено да је стабилизација најбоља када је улазни напон бар два пута већи од излазног.
- Uul≥2*Uiz
Минимална вредност отпорника R се рачуна помоћу израза:
- Rmin=(Uul-Uzmax)/Izmax
Под условом да напон брујања не прекорачи 5% излазног напона, вредност кондензатора C1 добија се из приближног обрасца:
- C1=50*(Iul/Uiz)
Капацитет кондензатора C2 се одређује из релације:
- C2=0.1*Iizmax
Ако потрошач захтева већу струју од максималне дозвољене струје Зенер диоде, тада се примењује стабилизација помоћу кола са активним елементима.
Максимални излазни напон једнак је Зенеровом напону примењене диоде умањеном за напон Убе који за силицијумске транзисторе износи 0,6-0,7В. Зенер диода константним напон базе. У случају смањења излазног напона Уи смањиће се се напон на емитеру редног транзистора што има за последицу повећање напона између базе и емитер. Ово повећање напона изазива повећање колекторске струје, смањује се пад напона на редно везаном транзистору и излазни напон се повећава. Транзистор се, дакле, понаша као променљива отпорност која се мења са променом напона озмеђу базе и емитера. Потребан улазни напон одређује се из услова које диктирају варијације мрежног напона и дозвољена вршна вредност напона брујања. У случају да је варијација мрежног напона -10% и дозољен напон брујања 5% вредности излазног напона:
- Uu=1.15*Ui+2V
Вредност од 2V се узима као нека врста сигурности због постојања напона засићења колекторског споја.
Зенер диода је у празном ходу стабилизатора најоптерећенија. Због тога се у претходној релацији вредност улазног напона повећава за производ РисИумаx, где је Рис унутрашња отпорност исправљача, а Иумаx максимална улазна струја. Фактор 2 у имениоцу се јавља због тога шо постоје два отпорника Р1 једнаке вредности. Отпорник Р2 делује као предоптерећење а његова приближна вредност се добија из услова:
- R2≈100*Ui/Iimax
Кондензатор C3 служи за пригушење напона брујања и за мрежу од 50 Hz израчунава се као:
- C3≈32/R1
где је C3 капацитет у микрофарадима , а R1 отпорност у килоомима. При избору транзистора треба имати у виду да кроз потрошач и редни транзистор протиче приближно иста струја, што значи да максимална колекторска струја треба да буде већа од максималне струје потрошача.
Основне карактеристике линеарних извора напајања уреди
| Параметар | Врједност | Јединица |
|---|---|---|
| фактор стабилизације напона | 0,02–0,05 | % |
| фактор регулације оптерећења | 0,02–0,1 | % |
| Риппле | 0,5–2 | mV RM |
| Опсег улазног напона | ±10 | % |
| Еfiкасност | 40–55 | % |
| Време одржања | 2 | ms |
| Време опоравка | 50 | µs |
Врјеме одржања се деfiнише као врјеме за које је извор у могућности да одржава излазни напон по прекиду улазног напона. Врјеме опоравка представља врјеме за које извор успоставља стабилан излазни напон након скоковите промјене улазног напона или струје оптерећења.
Литература уреди
- Електроника, Срђан Станковић, Радомир Лаковић, ТФ Подгорица
- Мјерења у електротехници, Војислав Бего
- Предавања из предмета Електроника, са треће године Електротехничког факултета у Подгорици, од стране проф. др Зорана Мијановића
- Предавања аналогна електроника ЕТФ Ниш са интернета
- Докић, Бранко L. (2007). Енергетска електроника - претварачи и регулатори. Београд/Бања Лука: Академска мисао/Електротехнички факултет.
