Сходинка дев’ята. Вторинні джерела живлення

Частина перша

 

Доброго здоров'я, шановний читачу. Ми з вами закінчили огляд пасивних та активних дискретних електронних компонентів. Настала черга більш складніших елементів – мікросхем малої міри інтеграції. Та перед цим, на мою думку, слід детальніше розглянути пристрої для живлення електронних конструкцій. Бо наступні ваші конструкції, з використанням вище названих компонентів, потребуватимуть різноманітних джерел для їхнього живлення.

Ми уже з вами використовували, для живлення конструкцій, звичайні батарейки, навіть робили простий блок живлення з можливістю регулювання вихідної напруги. А починаючи із цього допису – ознайомимося із теоретичними та практичними основами живлення електронних конструкцій за допомогою вторинних джерел живлення.

Отже, у циклі дописів "Вторинні джерела живлення" розглянемо що це таке, ознайомимося зі змінним струмом, використанням побутової мережі для живлення електронного обладнання, різновидами пристроїв живлення.

Практична частина – використання нашого допоміжного джерела живлення для заряджання різних акумуляторів.

------------

Різноманіття джерел живлення електронних пристроїв та приладів поділяється на два різновиди – первинні та вторинні.

До первинних джерел живлення належать ті джерела, які продукують електричну енергію перетворюючи на неї інші види енергії. Давайте напружимо фантазію і подумаємо, що це може бути? Ну, наприклад, ті ж самі гальванічні елементи, батарейки, акумулятори, в яких електрична енергія є наслідком хімічних процесів. Різноманітні генератори змінного та постійного струму, які перетворюють на електричний струм механічну енергію від різноманітних рушіїв: бензинових, дизельних двигунів – автономні генератори; парових турбін – АЕС, ТЕЦ; вітру – вітряки; води – гідроелектростанції. Сонячні панелі – перетворюють енергію світла. І таке інше.

Вторинні джерела живлення, на відміну від первинних – не продукують електричної енергії, вони лише перетворюють один її вид на інший. Тому до вторинних джерел електричної енергії слід віднести різноманітні блоки живлення, які перетворюють змінний струм на постійний, а також інвертори – пристрої, які перетворюють постійний струм на змінний.

Існує ще один різновид вторинних джерел живлення – конвертори. Це пристрої, які призначені для перетворення рівня постійної напруги. Тобто її зниження або підвищення.

Отже, запам’ятовуємо. Первинні джерела це ті, які продукують електроенергію перетворюючи на неї інші види енергії. Вторинні джерела це ті, які виконують різноманітне перетворення вже існуючої електроенергії.

Сьогоднішня наша мета – Вторинні джерела. Основна маса таких джерел живлення призначена для перетворення мережевого змінного струму у струм постійний. В основі своїй вони поділяються на два види – лінійні та імпульсні. Саме їх ми і будемо розглядати, втім, перш ніж братися за це, слід з’ясувати що таке змінний струм.

 

Змінний струм

Я думаю, що ні для кого не буде відкриттям той факт, що наші зовнішні електромережі призначені для передачі та розподілення змінного струму, тож і до нашого житла потрапляє саме змінний струм. Чому змінний струм, а не постійний?

Електричні машини для генерації змінного струму конструктивно простіші, як і електродвигуни, які перетворюють електричну енергію на механічну. Змінний струм легше трансформувати: робити вищою або нижчою його напругу. І останнє – його легше транспортувати саме з меншими втратами. Це переваги змінного струму.

Основним недоліком змінного струму є його більша небезпечність на відміну від постійного. Для завдання аналогічної шкоди організму людини, сила змінного струму може бути втричі меншою за постійний. Ризик збою серцевого ритму, паралічу – при впливі змінного струму на організм людини, набагато вищий. Саме тому, при роботі зі змінним струмом треба бути особливо уважним та обережним!

Для отримання змінного струму використовують генератор – пристрій, який виробляє змінний струм перетворюючи механічну енергію за принципом електромагнітної індукції. Електромагнітна індукція – це процес утворення струму у дроті, який рухається у магнітному полі.

Не думаю, що нам слід повторювати курс фізики загальноосвітньої школи. Там усе це розібрано більш-менш детально. А основні моменти, для відновлення базових основ, нагадаю.

На Мал. 1 показано один цикл обороту з відповідним кутом положення рамки умовного генератора змінного струму. Гадаю такий графік вам знайомий.

 

Мал. 1

За один цикл (оберт) генерується один період змінного струму. Кількість періодів за секунду визначає частоту генерації та позначається літерами Гц (герц – похідна від прізвища німецького фізика Генріха Герца). Частота струму у нашій мережі змінного струму становить 50 Гц – це 50 повних періодів за секунду. Тобто, щоб отримати частоту мережевого струму, умовний генератор повинен робити 3000 об/хв.

Амплітуда періоду 90о та 270о – піки напруги виробленого струму різної полярності. Величина амплітудної напруги є потенціалом розмаху синусоїди – від піку до піку.

У повсякденні ми оперуємо діючою напругою змінного струму. Що це і як це? Давайте трохи зупинимося.

Для того, щоб стандартизувати, привести до відповідності діючу потужність змінного струму з постійним, порівняли їх і з’ясували. Змінний струм нашої мережі здатен віддати таку ж саму потужність, як і постійний при значенні 220 В. Тобто, і 220 В змінного струму, і 220 В постійного струму – в однаковій мірі розігріють обігрівач, або електричну лампочку освітлення. Тепер і закон Ома абсолютно однаково відповідає і змінному, і постійному струму.

Таке значення мережевої напруги змінного струму називається діючим. Отже, діюча напруга нашої мережі становить 220 вольтів. На цю напругу розраховані побутові прилади, електровимірювальні пристрої (мультиметри теж показуватимуть 220 В), вона є опорною для розрахунків. Та факт полягає у тому, що вона відрізняється від амплітудної.

Величина амплітудної напруги (струму) співвідноситься з діючою, як добуток діючої на значення кореня квадратного з двійки, тобто:

       UА = UД*√2 = 1.414

де:   UА – напруга амплітудна;
UД – напруга діюча.

Отже, помноживши значення діючої напруги на 1.414 ми дізнаємося її значення амплітудне.

        220*1.414 ≈ 311 В

Тобто, потенціал розмаху синусоїди від піку до піку становить близько 311 В.

Запам’ятайте співвідношення, та засвойте різницю між діючим та амплітудним значеннями. Аматору, який займається виготовленням, ремонтом вторинних джерел живлення, це вкрай необхідно. Ми ще зустрінемося із терміном амплітудне значення при подальшому розгляді як лінійних так і імпульсних блоків живлення.

Не слід забувати, що наведена вище формула співвідношення істинна лише для  синусоїдального струму!

 

Лінійні джерела живлення

Такі джерела живлення характерні тим, що струм зазнає поступового – лінійного перетворення. Спочатку напругу мережевого струму знижують до потрібного рівня, потім поступово випрямляють, фільтрують та стабілізують. Функціональну блок-схему лінійного джерела живлення можна зобразити наступним чином (Мал.2).

Мал. 2

 

Ланка зниження напруги

Ви уже знаєте, що трансформувати змінний струм значно легше ніж постійний, і це так. Для цього існують спеціальні пристрої, так звані – трансформатори.

Промислові трансформатори, які трансформують електричний струм для передачі на відстані, мають величезні розміри, їх можна порівнювати із будинком, до того ж, інколи, у декілька поверхів. Та зараз не про них. Нас цікавлять силові трансформатори вторинних джерел живлення.

Теоретичні засади роботи трансформаторів, вже згадувалися коротко у дописі про індуктивності, перечитайте.

У аматорській практиці найчастіше доведеться мати справу із трансформаторами малої потужності, максимально до 300 Вт. Трансформатори потужністю від 300 до 1000 Вт, вважаються уже трансформаторами середньої потужності.

Розмір трансформатора залежить від його потужності, чим вона більша, тим більший (важчий) трансформатор. Скажімо вага трансформатора потужністю 50 Вт, разом із обмотками, доходить до 1 кілограма, 80 Вт – наближається до 2-х кілограмів. А з трансформатором потужністю 300 Вт, до того ж – мідними обмотками, можна займатися гирьовим спортом.

Мал. 5

Розмір трансформатора залежить від його потужності, чим вона більша, тим більший (важчий) трансформатор. Скажімо вага трансформатора потужністю 50 Вт, разом із обмотками, доходить до 1 кілограма, 80 Вт – наближається до 2-х кілограмів. А з трансформатором потужністю 300 Вт, до того ж – мідними обмотками, можна займатися гирьовим спортом.   Конструктивно трансформатори відрізняються типом осердя, на якому намотані обмотки. Воно буває панцирне (броньове, Ш-подібне) (Мал. 3), стрижневе (П-подібне, О-подібне) (Мал. 5) або тороїдальне (кільцеве) (Мал. 4). Для виготовлення осердь може застосовуватися листова або стрічкова електротехнічна сталь.   Давайте порівняємо якісні показники трансформаторів виконаних на різних типах осердь. Базовим, як найбільш вживаним, буде панцирне осердя.   Так от: трансформатори на стрижневому осерді  (особливо стрічкового типу) – мають на 25% меншу масу (при однаковій потужності), на 30% меншу індуктивність розсіву, більший ККД, меншу чутливість до зовнішніх електромагнітних полів, більшу поверхню охолодження обмоток. З недоліків слід виділити потребу у намотці двох котушок, їхню механічну незахищеність, все ще досить суттєву індуктивність розсіву.   Осердя тороїдальне (стрічкове) – зберігає якісні показники стрижневого стрічкового, до того ж має ще менші масо-габаритні показники та мінімальну індуктивність розсіву. Завдяки кільцевому магнітопроводу увесь магнітний потік «гуляє» по суцільному (без розривів) замкненому колу. Недолік – суттєва складність виготовлення обмоток в аматорських умовах.   Із цього зробимо висновок. Найліпшим за своїми масо-габаритними, електротехнічними показниками є тороїдальне осердя. Найзручніше для аматора – стрижневе стрічкове осердя, саме завдяки простішій технології роботи з обмотками. У той же час панцирне – найдоступніше.   Чому осердя не виготовляють із суцільного шматка сталі? Бо, по суті, осердя це той самий виток, і якщо він буде суцільним, тобто короткозамкненим, у ньому буде наводитися струм. Суцільний сталевий брусок має малий опір, тож і струм буде величезним. Таке осердя завдасть небажане навантаження, а наведений струм розігріє його до величезної температури. А от у пластинчастих осердях наведені струми у сусідніх пластинках створюють протилежні магнітні поля, які й компенсують одне одного і, як наслідок, загальна потужність наведених струмів серцевини суттєво зменшується.   Отже, первинна обмотка завжди розрахована на напругу мережі, у нашому випадку – 220 вольтів. Вторинна – одна чи декілька на потрібну знижену напругу. Кількість витків буде залежати від коефіцієнта трансформації, товщина дроту – від потрібної, чи то – запланованої потужності.   Розглянутий вище елемент є основою трансформаторної ланки зниження напруги.

Мал. 3 Мал. 4

 

Існують ще ланки зниження напруги без трансформаторів. Такі ланки зниження напруги відрізняються малою потужністю, мають невеликі вихідні напруги та струми (використовувати конденсаторне зниження напруги для більш суттєвих потужностей не має сенсу). На практиці застосовуються у блоках живлення портативних радіоприймачів, ліхтариків – для заряджання малопотужних свинцевих акумуляторів, регуляторах напруги, комутаторах гірлянд. Відрізняються особливою небезпечністю, бо мають гальванічний контакт із діючою мережею. Під час роботи із такими блоками живлення слід поводити себе дуже уважно!

 

Мал. 6

Основний елемент зниження напруги – конденсатор. Ми вже знаємо, що у мережі змінного струму конденсатор поводить себе як опір, бо нам відомий термін – реактивний опір (при потребі перечитайте допис про конденсатори). Саме цей ефект і покладено до основи конденсаторної ланки зниження напруги. На Мал. 6 наведено найбільш уживаний ланцюжок зниження напруги. Конденсатор С – як реактивний опір, резистор R1 – розряджає конденсатор після вимкнення мережевої напруги (його активний опір набагато більший за реактивний опір конденсатора), R2 – обмежує струм первинного імпульсу при його увімкненні (його активний опір надто малий для впливу на величину падіння напруги на конденсаторі).

 

Звісно, для зниження напруги можна використати і звичайний активний резистор, але його потужність буде суттєвою. Спробуйте зібрати докупи падіння напруги на ньому, струм, який повинен через нього проходити і підрахувати потрібну потужність. Запевняю, вона буде не малою, плюс додайте сюди нагрів резистора від розсіювання тепла. Приблизно на такому принципі побудовані портативні мережеві сушарки для взуття.

На Мал. 7 показано схематичне зображення ланки зниження напруги та її основний елемент – трансформатор. Вказана модель має шість виводів. На задньому плані – виводи первинної обмотки. Один із них, середній, розрахований на 127 В (інколи у старих трансформаторах робили і таке), два крайніх – 220 В. На передньому плані два виводи ліворуч – виводи вторинної обмотки, один вивід праворуч – вивід екранної обмотки.

Мал. 7

Екранна обмотка – це щільно виток до витка укладений тоненький ізольований дріт до заповнення ширини усього каркасу (обмотка може бути виконана і за допомогою не замкненого, суцільного шматка фольги). Така обмотка робиться між первинною та вторинною обмотками і має лише один вивід. Цей вивід приєднується до конструктивної «маси», а призначення такого додатку – суттєве зниження завад за рахунок зменшення ємності між обмотками, а ще – для захисту подальшої конструкції від виникнення аварійних ситуацій під час пробою первинної обмотки.

Основна маса трансформаторів має, як мінімум, чотири виводи. Два виводи – мережева обмотка, ще два виводи – вторинна обмотка.

До речі, досить різноманітний вибір трансформаторів для власних потреб ви знайдете у магазині.

Отже ми понизили мережеву напругу 220 В до потрібної величини, але струм продовжує лишатися змінним, і для того щоб його зробити постійним потрібна наступна ланка – ланка випрямлення.

 

Ланка випрямлення

Як уже зрозуміло, тут відбувається перетворення змінного струму на постійний. Варіантів декілька, вони мають як недоліки, так і переваги. Розглянемо їх.

Мал. 8

 

Для однофазних трансформаторів (трансформатор з двома виводами вторинної обмотки) є дві основні схеми побудови випрямлячів: однопівперіодна (Мал. 8-а), двопівперіодна мостова (Мал. 8-в).

Схема показана на Мал. 8-б теж двопівперіодна, але для її реалізації потрібна двофазна обмотка, тобто обмотка із середнім відводом.

Давайте перейдемо до експериментальних дослідів, щоб з’ясувати для себе ту теоретичну інформацію, яку ви знайдете у будь-яких підручниках, на просторах інтернету і т. ін.

 

Мал. 9

Для дослідів використаємо уже знайомий нам DSO-138. Отже, струм на вторинній обмотці трансформатора (Мал. 9):

Форма – синусоїда, частота – 50 Гц, рівень діючої напруги – 8.25 В, амплітудне значення – 11.48 В (повний розмах – 22.96/2). Це вхідні параметри ланки випрямлення.

 

Мал. 10

Розглянемо однопівперіодний випрямляч. Сам термін однопівперіодний означає, що після процесу випрямлення лишаються тільки коливання одного знаку (половина періоду), тобто випрямлянню, як такому, піддано лише одну півхвилю коливань (Мал. 10). Вихідна напруга трохи більша за половину вхідної.

І знову практичний дослід та його результати для підтвердження теоретичних викладок (Мал. 11).

 

Мал. 11

Форма – врізана синусоїда, дійсно відсутні негативні півхвилі, частота лишилася та ж сама, рівень діючої напруги – 5.23 В.

Для розрахунку напруги та потужності однопівперіодного випрямляча існують певні формули, я тут їх наводити не збираюся. Такі речі аматор, при потребі, з’ясує самостійно. Моя задача дати вам уявлення та розуміння певних принципів. Це я до чого? На підставі розрахунків виходить таке: – потужність вторинної обмотки трансформатора, при застосуванні однопівперіодного випрямляча, повинна у 3,5 рази перевищувати корисну потужність, яку віддає випрямляч. Саме цей факт і робить невигідним його практичне застосування. Такі випрямлячі зрідка можна зустріти у малопотужних пристроях, високовольтних випрямлячах розрахованих на невеличкий струм.

 

Мал. 12

Мал. 13

Третій дослід – мостова двопівперіодна схема випрямляча (Мал. 12). Знову назва пояснює нам суть процесу випрямляння. Ця схема випрямляє обидва півперіоди змінного струму. Вона є найбільш вживаною, бо відрізняється саме здатністю випрямляти обидва півперіоди змінного струму, а це означає що частота не згладженої пульсації після такого випрямляча удвічі більша, що у свою чергу – полегшує подальше згладжування. Вихідна напруга = вхідній. Правда існує певний недолік – вона потребує використання чотирьох випрямних діодів.

 

 

 

 

Мал. 14

Існує також схема двопівперіодного випрямляча (Мал. 13), яка потребує лише два діоди (Мал. 8-б), але для неї потрібен трансформатор із середнім відводом двох симетричних обмоток. Позаяк напруги на крайніх виводах двох обмоток однакові та протифазні, такий випрямляч називають іще – двофазним. Так, тут діодів лише два, але і дві обмотки трансформатора. Вони розраховані на однакову напругу, а сумарна випрямлена напруга буде дорівнювати лише напрузі однієї обмотки. Що для вас вигідніше обирайте самі.

Повернемося до практичного досліду із мостовою схемою (Мал. 14).

Форма – подвоєна половина синусоїди, присутні і позитивні і негативні півхвилі, частота – 100 Гц (бо подвоєна), рівень діючої амплітуди – 7.05 В (8.25-1.2 [падіння напруги на діодах]). 

Мостова схема випрямляча – найбільш вживана. Промисловість виробляє навіть готові модулі мостових випрямлячів. Зверніть увагу на їхній вибір у магазині. Навіть марно наводити фотографії зразків, бо вибір надзвичайно великий, роздивіться, якщо буде бажання. Існування готових модулів не каже про те, що випрямний місток не можна виготовити із окремих випрямних діодів. Цілком можливо.

Діоди у містках можна поєднувати як для збільшення робочого струму плеча, так і для збільшення робочої напруги. Але існують певні правила.

Мал. 15

Скажімо, для збільшення струму діоди об’єднують паралельно, що розподіляє сумарний струм на кожен елемент групи. Але кожен діод у групі повинен мати послідовний резистор для вирівнювання струму. Опір резистора становить від десятих часток до декількох десятків омів, це залежить від струму через ланку діод-резистор (Мал. 15).

Мал. 16

Без увімкненого послідовно резистора плече із паралельно поєднаних діодів приречене. Адже, незважаючи навіть на індивідуальний підбір, по якомусь із діодів потече більший струм, що у свою чергу призведе до збільшення нагріву елемента і як наслідок – зміни крутизни його ВАХ, струм через діод зросте. Безкінечно так продовжуватися не буде – перехід зруйнується. Описаний процес повториться з наступним діодом і так послідовно. Описання цього процесу довше аніж протікає він сам. В результаті матимемо, як мінімум, зруйноване джерело живлення.

 

З’єднавши діоди послідовно збільшують максимальну напругу плеча містка (Мал. 16). Але знову ж таки існує умова – такі діоди теж шунтують резисторами. Резистори потрібні для вирівнювання падінь напруги на ланці діодів. Резистори можуть бути від 100 до 1000 кОм, чим менший опір резистора, тим більш рівномірно розподіляється напруга, втім, опір теж залежить від струму ланки.

Слід лише пам’ятати, що такі поєднання можливі, але вони, у певній мірі, погіршують якісні показники випрямлення.

Наприкінці огляду ланок випрямляння напруги, слід сказати декілька слів і стосовно помножувачів напруги, адже її примноження відбувається саме на етапі випрямляння.

Чому помножувачі? Інколи буває потрібно збільшити напругу вторинної напруги трансформатора. Для цього є два шляхи: перший – домотати вторинну обмотку трансформатора, другий – використати схему примноження. Перший шлях це певні затрати, як матеріальні (мідний дріт), так і фізичні та часові (перемотати або домотати обмотку), до того ж це змінить масо-габаритні характеристики трансформатора. Другий – на мій погляд ефективніший і менш затратний. Слід лише пам’ятати, що потужність вторинної обмотки залишається незмінною.

Давайте розглянемо варіанти схем примноження напруги. Перший спосіб (Мал. 17) характерний тим, що конденсатор кожної ланки примноження повинен мати певну ємність. Так, ємність першого конденсатора n2=const, де n – кількість ланок конденсаторів у помножувачі напруги. Ємність кожного наступного = const/n2, де n – порядковий номер ланки.

Мал. 17

Наприклад, ми хочемо створити примножувач із п’ятьма ступенями множення.

Отже:      

С1 = 5*5 = 25 мкФ;

С2 = 25/(2*2) = 6.25 мкФ;

С3 = 25/(3*3) = 2.78 мкФ;

С4 = 25/(4*4) = 1.56 мкФ;

С5 = 25/(5*5) = 1.0 мкФ.

Не зовсім зручне вовтузіння із підбором ємностей, до того ж – не стандартних номіналів.

 

Мал. 18

Ємність конденсаторів для другого типу схеми примноження (Мал. 18) однакова і не залежить від кількості ланок. Відрізняється лише ємність першого з них, яка повинна бути у 2-4 рази більшою за наступні. До того ж робоча напруга конденсатора може відповідати робочій напрузі окремо взятої ланки, адже вихідна напруга примножувача становитиме суму напруги ланок.

Мал. 19

Така схема, мабуть, найбільш уживана. Її часто можна зустріти у примножувачах напруги для живлення високовольтного аноду вакуум-люмінесцентного кінескопа телевізора, для створення високої напруги на коронному розряднику копіювальних апаратів і т.ін.

Діоди обох типів помножувачів повинні бути здатні працювати зі струмом, який мінімум удвічі перевищує струм споживання навантаженням.

Давайте розглянемо дві цікаві схеми, які базуються саме на принципі примноження напруги.

 

 

 

 

Мал. 20

Схема, яка подана на Мал. 19, демонструє можливість отримання двоканального джерела живлення від однієї вторинної обмотки. Це досить цікавий варіант дає можливість отримати джерело живлення для деяких мікросхем, які потребують саме двоканального живлення.

 

На Мал. 20 наведено ще одну схему, яка дозволяє від однієї вторинної обмотки трансформатора отримати дві фіксовані напруги живлення. Такий варіант теж, при нагоді, може виручити аматора.

 

 

 

 

 

 

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

практичне застосування додаткового джерела живлення для заряджання акумуляторів

 

Саме з основною метою – заряджання акумуляторів, робилося додаткове джерело живлення (але це зовсім не каже про те, що його не можна використовувати для інших потреб). Тож давайте розглянемо, як це робити практично.
Декілька слів стосовно конструкції джерела живлення. Як я й обіцяв – його конструктивне шасі виконане повністю із картону. Кришки немає, бо внутрішня робота ще не закінчена. Відверто кажучи, я ще на визначився, чи буду його робити окремим, чи моноблоком із основним джерелом живлення. Лицьову панель я вже показував. На ній розташовані сигнальні світлодіоди роботи основних модулів живлення, світлодіод індикації режиму обмеження струму, позначений знаком оклику "!" та світлодіод закінчення заряду "Зд".

Але я, спочатку, виконаю свою колишню обіцянку. Той, хто читає мої дописи, повинен пам’ятати, що я обіцяв розповісти як відновити лужний елемент живлення. Не тіште себе сподіваннями, адже такий елемент живлення це не акумулятор. Втім, декілька разів його можна реанімувати, хоч і не на всі 100%. Для реанімації найбільш придатні свіжо-розряджені лужні елементи живлення з напругою не меншою за 1.0 В. Сольові елементи живлення реанімації не підлягають. Нагадаю – лужний елемент це той, де на корпусі читається напис ALKALINE.

В Інтернеті ви знайдете безліч схем безпосереднього живлення від мережі 220 В, де замість трансформатора, для зниження напруги, застосовується конденсатор. Такі схеми працюють, але потрібно дотримуватися певних умов, до того ж вони украй небезпечні. Я не буду їх навіть розглядати. Я також вважаю не зовсім доречним виготовляти спеціальний пристрій (навіть трансформаторний) для реанімації елементів живлення при їхній вартості близько 0.2-0.3 $ (VIDEX).

Як реанімацію елемента живлення, за нагальної потреби, роблю я.

 

Продовження за посиланням.