RadioCat: Napájení Už to nemůže být jednodušší. Část druhá

Aha, takže jsi nakonec přišel? Přemohla vás zvědavost? Ale mám velkou radost. Ne, opravdu. Udělejte si pohodlí, nyní společně provedeme několik jednoduchých výpočtů, které jsou potřeba k vybičování napájecího zdroje, který jsme již provedli v první části článku. I když je třeba říci, že tyto výpočty mohou být užitečné i ve složitějších schématech.

Náš napájecí zdroj se tedy skládá ze dvou hlavních jednotek – usměrňovače, který se skládá z transformátoru, usměrňovacích diod a kondenzátoru, a stabilizátoru, který se skládá ze všeho ostatního. Jako skuteční indiáni začněme od konce a nejprve si spočítejme stabilizátor.

Obvod stabilizátoru je znázorněn na obrázku.

Jedná se o tzv parametrické stabilizátor. Skládá se ze dvou částí:
1 – samotný stabilizátor na zenerově diodě D s předřadným odporem R b
2 – emitorový sledovač na tranzistoru VT.

Stabilizátor přímo sleduje, aby napětí zůstalo takové, jaké potřebujeme, a emitorový sledovač nám umožňuje připojit výkonnou zátěž ke stabilizátoru. Hraje roli jakéhosi zesilovače nebo chcete-li boosteru.

Dva hlavní parametry našeho napájecího zdroje jsou výstupní napětí a maximální zatěžovací proud. Zavolejme jim:
Uout – to je napětí
и
Imax – to je aktuální.

Pro napájecí zdroj, který jsme postavili v předchozí části, je Uout = 14 voltů a Imax = 1 ampér.

Nejprve musíme určit, jaké napětí Uin potřebujeme do stabilizátoru dodat, abychom na výstupu získali požadovaný Uout.
Toto napětí je určeno vzorcem:

Kde se vzalo číslo 3? Toto je úbytek napětí na přechodu kolektor-emitor tranzistoru VT. Aby tedy náš stabilizátor fungoval, musíme na jeho vstup dodat alespoň 17 voltů.

Pojďme určit, jaký druh tranzistoru VT potřebujeme. Abychom to mohli udělat, musíme určit, kolik energie bude rozptylovat.

Zde je třeba zvážit jednu věc. Pro výpočet jsme vzali maximální výstupní napětí zdroje. V tomto výpočtu však naopak potřebujeme vzít minimální napětí, které zdroj produkuje. A v našem případě je to 1,5 voltu. Pokud tak neučiníte, tranzistor může jít do pekla, protože maximální výkon bude vypočítán nesprávně.
Přesvědčte se sami:

Pokud vezmeme Uout=14 voltů, pak dostaneme Pmax = 1.3 * (17-14) * 1 = 3.9 W.
A když vezmeme Uout=1.5 voltu, tak P max = 1.3 * (17 – 1.5) * 1 = 20,15 W

To znamená, že kdyby se to nebralo v úvahu, ukázalo by se, že vypočítaný výkon byl PĚTkrát menší než skutečný. To by se samozřejmě tranzistoru moc nelíbilo.

Nyní jdeme do referenční knihy a vybereme si tranzistor pro sebe.
Kromě právě získaného výkonu je třeba vzít v úvahu, že maximální napětí mezi emitorem a kolektorem musí být větší než Uin a maximální kolektorový proud musí být větší než Imax. Vybral jsem si KT817 – docela slušný tranzistor.

Uf, vypadá to, že jsme to zvládli. Jdeme dál.

Vypočítáme samotný stabilizátor.

Nejprve si určíme maximální proud báze nově zvoleného tranzistoru (co jste si mysleli? V našem krutém světě spotřebovává proud každý – i báze tranzistoru).

I b max =I max / h21 E min

h21 Э min je minimální koeficient přenosu proudu tranzistoru a je převzat z referenční knihy Pokud jsou tam uvedeny limity tohoto parametru – něco jako 30. 40, pak se bere nejmenší. No, v referenční knize mám napsané jen jedno číslo – 25, takže s tím budeme počítat, co jiného zbývá?

Ib max = 1/25 = 0.04 A (nebo 40 mA). Ani trochu.

No, pojďme nyní hledat zenerovu diodu.
Musíte ho hledat podle dvou parametrů: stabilizačního napětí a stabilizačního proudu.

Stabilizační napětí by se mělo rovnat maximálnímu výstupnímu napětí zdroje, tedy 14 voltů, a proud by měl být alespoň 40 mA, tedy to, co jsme vypočítali.
Vraťme se k referenční knize.

Napěťově se nám strašně hodí zenerova dioda D814D, navíc jsem to měl po ruce. Ale stabilizační proud. 5 mA nám nestačí. co budeme dělat? Snížíme základní proud výstupního tranzistoru. K tomu přidáme do obvodu další tranzistor. Podívejme se na obrázek. Do obvodu jsme přidali tranzistor VT2. Tato operace nám umožňuje snížit zatížení zenerovy diody h21E krát. h21E, samozřejmě, tranzistoru, který jsme právě přidali do obvodu. Bez velkého přemýšlení jsem vzal KT315 z hromady železa. Jeho minimum h21E je 30, to znamená, že můžeme snížit proud na 40/30 = 1.33 mA, což nám vyhovuje.

Nyní spočítejme odpor a výkon předřadného odporu R б.

R b = (Uin – Ust) / (I b max +I st min )

kde Ust je stabilizační napětí zenerovy diody,
Iст min — stabilizační proud zenerovy diody.

Rb = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ohm.

Nyní určíme výkon tohoto rezistoru

P rб = (U in – U st )2/R б .

P rб = (17-14)2/470 = 0,02 W.

To je vlastně všechno. Z výchozích údajů – výstupního napětí a proudu jsme tedy získali všechny prvky obvodu a vstupní napětí, které by mělo být do stabilizátoru přiváděno.

Nepolevujme však – rovnačka nás ještě čeká. Pokud si to myslíme, myslím, že ano (slovní hříčka).

Podívejme se tedy na obvod usměrňovače.

Tady je vše jednodušší a téměř na vašich prstech. Vzhledem k tomu, že víme, jaké napětí potřebujeme přivést do stabilizátoru – 17 voltů, spočítáme napětí na sekundárním vinutí transformátoru. K tomu začneme stejně jako na začátku – od ocasu. Takže po filtračním kondenzátoru bychom měli mít napětí 17 voltů.

Vzhledem k tomu, že filtrační kondenzátor zvyšuje usměrněné napětí 1,41krát, dostaneme, že po usměrňovacím můstku bychom měli dostat 17/1,41=12 voltů.
Nyní vezměme v úvahu, že na usměrňovacím můstku ztrácíme asi 1,5-2 volty, proto by napětí na sekundárním vinutí mělo být 12+2=14 voltů. Může se klidně stát, že takový transformátor nenajdete, žádný problém – v tomto případě můžete použít transformátor s napětím na sekundárním vinutí od 13 do 16 voltů.

Jdeme dál. Určíme kapacitu filtračního kondenzátoru.

kde Iн je maximální zatěžovací proud,
Uн — napětí na zátěži,
Kн — koeficient pulzace.

V našem případě
Iн = 1 ampér,
Un=17 voltů,
Kn = 0,01.

C ф =3200*1/14*0,01=18823.

Jelikož je ale za usměrňovačem stabilizátor napětí, můžeme vypočítanou kapacitu snížit 5. 10x. To znamená, že 2000 μF bude docela dost.

Zbývá zvolit usměrňovací diody nebo diodový můstek.

K tomu potřebujeme znát dva hlavní parametry – maximální proud tekoucí jednou diodou a maximální zpětné napětí, rovněž jednou diodou.

Požadované maximální zpětné napětí se vypočítá takto:

U obr max =2U n, tedy U obr max =2*17=34 Voltů.

A maximální proud pro jednu diodu musí být větší nebo roven zátěžovému proudu napájecího zdroje. No, pro sestavy diod referenční knihy udávají celkový maximální proud, který může protékat touto sestavou.

Zdá se, že to je vše o usměrňovačích a parametrických stabilizátorech.
Před námi je stabilizátor pro ty nejlínější – na integrovaném mikroobvodu a stabilizátor pro ty nejpracovitější – kompenzační stabilizátor.

Účel napájecích zdrojů a měničů napětí

K nelibosti vývojářů a naštěstí pro uživatele všechny elektronické součástky až na vzácné výjimky, zejména takové choulostivé, jako jsou mikrokontroléry a procesory, nefungují přímo ze střídavého proudu 220 V, kterým nás štědře zásobuje jakákoli zásuvka v jakémkoli obytném prostoru. Úkol přeměnit střídavé napětí na stejnosměrné, stejně jako snížit (a někdy i zvýšit) napětí na úroveň připravenou k použití, připadá na takzvané napájecí zdroje (PSU), známá elektronická zařízení, která jsou na jednom konci připojena ke zmíněné zásuvce a na druhém ke spotřebiteli, tedy k našemu telefonu, notebooku nebo vzácnému kutilskému produktu.

Kvůli funkci „usměrnění“ napětí se v technické literatuře při aplikaci na napájecí zdroje můžete setkat se zkratkou AC/DC, což znamená střídavý proud/stejnosměrný proud.

Je logické předpokládat, že napájecí zdroje pro různé úkoly jsou různé. Hlavní rozdíly jsou výstupní napětí a výkon (proud). Každý napájecí zdroj by měl mít štítek označující tyto dva parametry, jako je tento.

V tomto konkrétním případě je vidět, že zdroj je dimenzován na vstupní střídavé napětí v rozsahu od 100 do 240 voltů, ze kterého generuje stejnosměrné napětí 24 voltů s proudem do 5 ampérů, které po přepočtu na výkon bude 120 wattů. Při zapojování hotového zařízení nebo vytváření vlastního musíme vzít v úvahu jak napětí, tak proud zdroje, jinak se zařízení buď nespustí, nebo se samo spálí, případně spálí zdroj. Nepotřebujeme první, druhý nebo třetí, což znamená, že bychom měli věnovat určitou pozornost výběru napájení.

Existuje další nepříliš zřejmá charakteristika napájecího zdroje, o které výrobci píší jen zřídka a začínající kutilové ne vždy znají. Stabilita výstupního napětí. Pokud se podíváte na výstupní napětí velkého množství napájecích zdrojů přes osciloskop, ukáže se, že ne všechny jsou tak dokonale ploché, jak bychom si přáli. Někdy připomíná pilu, někdy se vlní, někdy je relativní povrch přerušován šploucháním jak nahoru, tak dolů.

U některých zařízení to příliš nevadí, například pro napájení LED pásku nebo motoru, ale u jiných to může způsobit poruchu, nepochopitelné „závady“, náhlé restarty a dokonce selhání. Takové nepravidelnosti jsou zvláště kritické pro práci s analogovými signály, je obtížné odhadnout vstupní úroveň s plovoucím a skokovým referenčním napětím. Pokud takové nebezpečí existuje nebo se vyskytnou podobné jevy, neměli byste být líní a zkontrolovat napětí napájející váš gadget.

Strukturálně jsou rozděleny na transformátorové a pulzní typy, každý typ má své výhody a nevýhody, a tedy i své přívržence a odpůrce. Stručně řečeno, transformátorové jsou těžké, spolehlivé a stabilní, pulzní jsou lehké, moderní, ale při špatné montáži mohou trpět nestabilitou napětí.

AC/DC napájecím zdrojům se zde nebudeme podrobně věnovat, je nepravděpodobné, že si je někdo vyrobí sám vzhledem k velkému výběru již hotových. Z bezpečnostního hlediska se to také nevyplatí dělat. Důležité je pouze věnovat pozornost uvedeným charakteristikám a nechat prostor pro zdravou nedůvěru k pochybným značkám.

Jedno elektronické zařízení velmi často vyžaduje několik napětí různých úrovní současně. Logická část, konkrétně řadič nebo procesor, obvykle pracuje na 5 nebo 3,3 V, akční členy od 5 a výše, obvykle 12, 24 a více. Akumulátory a baterie používané v autonomních gadgetech také produkují širokou škálu napětí, nejčastěji od „nižších než je nutné“ 1,5 – 2,7 V, po „vyšší než nutné“ 12 – 24 V, a také se mění v reálném čase v závislosti na stavu nabití. Ano, existují napájecí zdroje – multifunkční nástroje, schopné dodávat různé úrovně napětí najednou, nápadným příkladem je počítačový zdroj, ale většina zařízení takové monstrum nevyžaduje a není vždy vhodné, úkoly jsou mnohem rozmanitější než jeho možnosti. Aby byla zajištěna všestrannost a aby nebylo nutné vyrábět drahé napájecí zdroje, vývojáři elektroniky se uchylují k takzvaným měničům napětí (VC), které snadno poskytují víceúrovňové napájení v rámci jednoho zařízení.

Konstrukce, velikost a vzhled PN se může značně lišit v závislosti na výrobci a vlastnostech, může to být malý mikroobvod nebo velká krabice s mnoha díly.

Podobně jako u AD/DC napájecích zdrojů jsou DC/DC měniče někdy označovány jako DC/DC, což je při jejich hledání v některých internetových obchodech znát. Pokusme se trochu podrobněji porozumět tomu, co tyto DC/DC jsou a k čemu slouží.

Typy měničů napětí

První rozdíl, který mě napadne, je vstupní a výstupní napětí převodníku. Ve skutečnosti je to jedna z jeho hlavních charakteristik. Druhým rozdílem, stejně jako u napájecího zdroje, je napájení. Nyní jsme se rozhodli pro dva hlavní parametry. Pojďme si vyjmenovat zbytek.

Směr transformace je buď dolů nebo nahoru. V situacích reálného života je vyžadováno obojí.

Rozsah vstupních napětí, některé s malou chybou nebo se liší několikanásobně až desetinásobně.

Nastavitelnost výstupního napětí, jedno pevné nebo s možností úpravy v určitých mezích.

Podívejme se na několik možností na příkladech.

Nejjednodušší, ale vcelku univerzální PN, tzv. „lineární převodník“, je jedna rádiová součástka v pouzdře TO-220. V podstatě se jedná o samoregulační odporový dělič napětí se všemi jeho výhodami a nevýhodami.

Jako příklad lineárního převodníku uvedeme LM7805, který je velmi žádaný v projektech kutilů.

Má spoustu výhod: produkuje přesné výstupní napětí 5V s obrovským rozsahem vstupních napětí – od 7 do 40 V, extrémně snadno se zapojuje, vyžaduje pouze dva levné keramické kondenzátory, je extrémně levný, poskytuje proud až 1A. Nevýhody: „přebytečné“ napětí se přeměňuje na teplo, v důsledku toho se s rostoucí zátěží a úměrně rozdílu napětí na vstupu a výstupu hodně zahřívá. Měli byste sledovat teplotu, pokud překročí 60-70 stupňů, vybavte ji radiátorem. Omezený výkon i při dobrém chlazení může vyhořet, aniž by dosáhl svých maximálních schopností. Funguje pouze pro snížení napětí a vyžaduje určitou rezervu na vstupu na větší straně. Neregulované, což je v závislosti na situaci dobré i špatné.

V prodeji je poměrně široká škála lineárních regulátorů napětí s přesně specifikovaným výstupním napětím. Existují ale i převodníky tohoto typu s možností nastavení napětí pomocí kombinace rezistorů ve svazku včetně proměnných pro rychlé nastavení. Slušelo by se říci, že nejběžnějším lineárním měničem tohoto typu je LM317. Jeho schéma zapojení je trochu složitější, ale také mnohem flexibilnější.

Nevýhody LM317 jsou stejné: omezený výkon a přehřívání z jakéhokoli důvodu a dokonce i bez něj.

Pro vyšší výkon a nižší teploty by měly být použity pulzní DC/DC měniče, které jsou sestavou více komponent. V závislosti na provedení mohou kombinovat všechny výše uvedené výhody, totiž jsou nastavitelné a fungují jak nahoru, tak dolů, stačí jen vybrat ty správné komponenty.

Jsou designově složitější, ale lineární porážejí téměř ve všem. Nejdůležitější je, že se při stejných parametrech mnohem méně zahřívají a ve výsledku mají vyšší účinnost.

Na obrázku je příklad step-up nastavitelného měniče. Zvýšení zajišťuje mikro tlumivka a možnost nastavení víceotáčkový rezistor se šroubem pro plochý šroubovák.

Existují dokonce i DC/DC, které dokážou jak zvýšit, tak snížit napětí, ale je lepší se nenechat unést takovou exotikou bez naléhavé potřeby.

Pár slov o nastavitelnosti. Pokud přesně znáte požadované napětí, vyberte si převodník s pevným výstupem. Bez ohledu na to, jak přesně nastavíte proměnný odpor, výstupní napětí nebude dokonale stabilní, bude záviset na vlhkosti a teplotě prostředí a bude se časem měnit, obvykle směrem dolů. Budete jej muset pravidelně kontrolovat a znovu konfigurovat. A pamatujte na nebezpečí třesoucí se ruky! Jeden špatný prudký pohyb a zvýšené napětí spálí vše po proudu. Variabilní převodník používejte pouze tam, kde se požadované napětí mění v různých situacích nebo když nelze najít vhodný pevný převodník.

Lineární převodníky tedy používáme tam, kde je potřeba nízký proud a náklady. V ostatních případech určitě používáme pulzní.

Možnost získat požadované napětí pomocí zenerovy diody, známé také jako Zenerova dioda, je ponechána mimo rámec tohoto článku. Proud poskytovaný tímto způsobem je schopen podporovat pouze malou signální LED. Účel zenerových diod je jiný: získat přesné napětí jako referenční nebo chránit obvod před napětím nad jeho jmenovitou hodnotu. O zenerových diodách si povíme podrobněji v jiném článku.

Kombinované přístroje

Protože se bavíme o měničích napětí, dotkněme se řady zajímavých přístrojů, které lze částečně zařadit mezi měniče napětí. To znamená, že PN je pouze jejich složkou, plnící jednu z funkcí.

Nejzajímavější a nejužitečnější zařízení je podle nás něco jako nepřerušitelný zdroj energie. Má externí napájecí vstup, spotřebitelský výstup a konektor pro připojení baterie. Úkolem takového kombajnu je poskytnout spotřebiteli stabilní výživu bez ohledu na vnější okolnosti.

Zatímco energie je přiváděna zvenčí, například ze zdroje AC/DC, je částečně přenášena na výstup, přičemž je normalizována a stabilizována a částečně jde do nabíjení baterie nebo jejího udržování v nabitém stavu. Baterie se tak využívá jako záložní zdroj energie, který se automaticky uvede do provozu při odpojení externího napájení. Úkolem vestavěného PN je zvednout napětí z akumulátoru, které u Li-Po nepřesahuje 3,7 V (při plném nabití) na pracovních 5 V a udržet ho co nejdéle, dokud nepřijde pomoc v podobě externího zdroje nebo napětí akumulátoru neklesne pod kritickou úroveň.

Nepostradatelné zařízení pro produkty, které si nemohou dovolit náhlé vypnutí, jako jsou bezpečnostní systémy, lékařská zařízení, komunikační zařízení, sledovací zařízení a další, kterým nelze důvěřovat externím napájením.

Ve stejné kapacitě můžeme zmínit desky pro práci se solárními bateriemi, ovladače pro motory autonomních robotů, automobilů, kvadrokoptér a tak dále, všechny vyžadují stabilní napájení s danou úrovní napětí.

Existuje poměrně mnoho druhů takových kombinovaných zařízení, kde je měnič napětí přítomen v té či oné podobě, ale hlavní rozdíly jsou stejné, nám již známé: výkon, výstupní napětí a vstupní napětí. Složení doplňkových funkcí se liší v závislosti na účelu.

Výkon

Napájecí zdroje a měniče napětí jsou nedílnou a nezbytnou součástí každého kutilského projektu. Poskytnout elektronickému zařízení správný a dostatečný výkon je úkol, jehož význam nelze přeceňovat. Výběr spolehlivého a bezpečného napájecího zdroje nebo měniče je prvním a nejdůležitějším krokem k vytvoření stabilního provozního zařízení. Každý sebeúctyhodný kutilský mistr by jim měl rozumět a umět si vybrat ty nejvhodnější.

Nejčastější dotazy

Jak zkontrolovat stabilitu napájecího zdroje?
Nejlépe s osciloskopem, k tomu stačí ten nejjednodušší. Zkouška by měla být provedena při pracovním zatížení. Tester může také ukázat, jak napětí „pluje“, pokud to dělá dostatečně pomalu, „skoky“ lze také zaznamenat jako malé změny ve čtení. A také v případě podezření můžete vzít výkonnější a spolehlivější zdroj, pokud alespoň některé příznaky odezní, problém je určitě v napájení;

Musím si koupit zdroj s výkonovou rezervou?
Doporučeno zejména v případě, že zařízení používá indukční zátěž, která odebírá vysoký proud při spouštění, jako je například motor. Pokud se řadič restartuje při spouštění výkonného spotřebiče, pořiďte si výkonnější zdroj napájení.

Jak zjistím úroveň nabití baterie, pokud je mé zařízení napájeno zvyšovacím převodníkem?
Připojte kladný pól přímo z baterie k analogovému vstupu ovladače. Můžete tak změřit napětí, vypočítat zbývající nabití a odhadnout přibližnou dobu do vypnutí. To je užitečné pro signalizaci problému dříve, než k němu dojde.

Odstraňuje měnič napětí napěťové rázy a pulzace z napájecího zdroje?
V závislosti na provedení je může zcela, částečně eliminovat nebo je dokonce jen proporčně opakovat. Jistotu si můžete být pouze vyzkoušením konkrétního převodníku.

Proč výrobce neuvádí stabilitu napájení a PN?
Některé jsou hlášeny. Například počítačové zdroje mají svou vlastní toleranci přesnosti pro každý kanál, obvykle ne více než 1-2 %, některé i méně. Většina zařízení ale takové informace nezveřejňuje, musíte důvěřovat a kontrolovat.