Stabilizovaný napájecí zdroj diskutovaný níže je jedním z prvních zařízení, které montují začínající radioamatéři. Jedná se o velmi jednoduché, ale velmi užitečné zařízení. Jeho montáž nevyžaduje drahé komponenty, které si začátečník snadno vybere v závislosti na požadovaných vlastnostech napájecího zdroje.
Materiál bude také užitečný pro ty, kteří chtějí podrobněji porozumět účelu a výpočtu jednoduchých rádiových komponent. Včetně se podrobně dozvíte o takových součástech napájecího zdroje, jako jsou:
- napájecí transformátor;
- diodový můstek;
- vyhlazovací kondenzátor;
- Zenerova dioda;
- rezistor pro zenerovu diodu;
- tranzistor;
- zátěžový odpor;
- Světelná dioda a k tomu odpor.
Článek také podrobně popisuje, jak vybrat rádiové komponenty pro váš napájecí zdroj a co dělat, pokud nemáte požadovaný výkon. Názorně bude ukázán vývoj desky plošných spojů a odhaleny nuance této operace. Několik slov je konkrétně řečeno o kontrole rádiových součástek před pájením, stejně jako o sestavení zařízení a jeho testování.
Typický obvod stabilizovaného napájecího zdroje
V dnešní době existuje spousta různých napájecích obvodů se stabilizací napětí. Ale jedna z nejjednodušších konfigurací, se kterou by měl začátečník začít, je postavena pouze na dvou klíčových součástkách – zenerově diodě a výkonném tranzistoru. Přirozeně jsou v diagramu další detaily, ale jsou pomocné.
Obvody v radioelektronice se většinou rozebírají ve směru, kterým jimi protéká proud. U napájecího zdroje s regulací napětí vše začíná u transformátoru (TR1). Plní několik funkcí najednou. Za prvé, transformátor snižuje síťové napětí. Za druhé zajišťuje provoz obvodu. Za třetí napájí zařízení, které je k jednotce připojeno.
Diodový můstek (BR1) – určený k usměrnění nízkého síťového napětí. Jinými slovy, vstupuje do něj střídavé napětí a výstup je konstantní. Bez diodového můstku nebude fungovat ani samotný zdroj, ani zařízení, která k němu budou připojena.
Vyhlazovací elektrolytický kondenzátor (C1) je nutný k odstranění zvlnění přítomného v domácí síti. V praxi vytvářejí rušení, které negativně ovlivňuje provoz elektrických spotřebičů. Pokud například vezmeme audio zesilovač napájený z napájecího zdroje bez vyhlazovacího kondenzátoru, pak budou tyto stejné pulzace jasně slyšitelné v reproduktorech ve formě cizího šumu. U jiných zařízení může rušení vést k nesprávnému fungování, poruchám a dalším problémům.
Zenerova dioda (D1) je součást napájecího zdroje, která stabilizuje úroveň napětí.Transformátor totiž vyrobí požadovaných 12 V (například) pouze tehdy, když je v zásuvce přesně 230 V. V praxi však takové podmínky neexistují. Napětí může buď klesat, nebo stoupat. Transformátor bude vyrábět totéž na výstupu. Zenerova dioda díky svým vlastnostem vyrovnává nízké napětí bez ohledu na přepětí v síti. Pro správnou funkci této součásti je nutný odpor omezující proud (R1). Podrobněji je to probráno níže.
Tranzistor (Q1) – potřebný pro zesílení proudu. Faktem je, že zenerova dioda není schopna procházet skrz sebe veškerý proud spotřebovaný zařízením. Navíc bude správně fungovat pouze v určitém rozsahu, například od 5 do 20 mA. To upřímně nestačí k napájení jakýchkoli zařízení. Tento problém řeší výkonný tranzistor, jehož otevírání a zavírání ovládá zenerova dioda.
Vyhlazovací kondenzátor (C2) - určený pro stejnou věc jako výše popsaná C1. V typických obvodech stabilizovaných napájecích zdrojů je také zatěžovací rezistor (R2). Je potřeba, aby obvod zůstal funkční, když není nic připojeno k výstupním svorkám.
V takových obvodech mohou být přítomny další součásti. Jedná se o pojistku, která je umístěna před transformátorem, a Světelná dioda, signalizující zapnutí jednotky a další vyhlazovací kondenzátory a další zesilovací tranzistor a spínač. Všechny komplikují obvod, ale zvyšují funkčnost zařízení.
Výpočet a výběr rádiových komponent pro jednoduché napájení
Transformátor se vybírá podle dvou hlavních kritérií - napětí a výkonu sekundárního vinutí.Existují další parametry, ale v rámci materiálu nejsou nijak zvlášť důležité. Pokud potřebujete napájecí zdroj, řekněme 12 V, pak je třeba vybrat transformátor tak, aby se z jeho sekundárního vinutí dalo odebrat trochu víc. U moci je vše při starém – bereme to s malou rezervou.
Hlavním parametrem diodového můstku je maximální proud, který může procházet. Na tuto vlastnost stojí za to se zaměřit jako první. Podívejme se na příklady. Blok poslouží k napájení zařízení, které odebírá proud 1 A. To znamená, že diodový můstek je potřeba odebírat přibližně 1,5 A. Řekněme, že plánujete napájet 12voltové zařízení výkonem 30 W. To znamená, že odběr proudu bude asi 2,5 A. Diodový můstek tedy musí být minimálně 3 A. Jeho ostatní charakteristiky (maximální napětí atd.) lze v rámci takto jednoduchého zapojení zanedbat.
Navíc stojí za zmínku, že nemusíte brát hotový diodový můstek, ale sestavit jej ze čtyř diod. V tomto případě musí být každý z nich navržen pro proud procházející obvodem.
Pro výpočet kapacity vyhlazovacího kondenzátoru se používají poměrně složité vzorce, které jsou v tomto případě k ničemu. Obvykle se bere kapacita 1000-2200 uF, což bude pro jednoduché napájení stačit. Můžete si vzít větší kondenzátor, ale to výrazně zvýší náklady na produkt. Dalším důležitým parametrem je maximální napětí. Podle ní se volí kondenzátor podle toho, jaké napětí bude v obvodu přítomno.
Zde stojí za zvážení, že v segmentu mezi diodovým můstkem a zenerovou diodou bude po zapnutí vyhlazovacího kondenzátoru napětí přibližně o 30 % vyšší než na svorkách transformátoru.Čili pokud děláte 12V zdroj, a trafo vyrábí 15V s rezervou, tak v této sekci bude vlivem provozu vyhlazovacího kondenzátoru cca 19,5 V. Podle toho musí být na to dimenzován napětí (nejbližší standardní hodnota 25 V).
Druhý vyhlazovací kondenzátor v obvodu (C2) se obvykle odebírá s malou kapacitou - od 100 do 470 μF. Napětí v této části obvodu již bude stabilizováno např. na úroveň 12 V. Podle toho musí být kondenzátor dimenzován (nejbližší norma je 16 V).
Ale co dělat, když nejsou k dispozici kondenzátory požadovaných jmenovitých hodnot a nechcete jít do obchodu (nebo je prostě nechcete kupovat)? V tomto případě je docela možné použít paralelní zapojení několika kondenzátorů menší kapacity. Stojí za zvážení, že maximální provozní napětí s takovým připojením nebude sčítáno!
Zenerova dioda se volí podle toho, jaké napětí potřebujeme dostat na výstup zdroje. Pokud neexistuje vhodná hodnota, můžete zapojit několik kusů do série. Stabilizované napětí se sečte. Vezměme si například situaci, kdy potřebujeme získat 12 V, ale k dispozici jsou pouze dvě zenerovy diody 6 V. Jejich zapojením do série získáme požadované napětí. Stojí za zmínku, že pro získání průměrného hodnocení nebude paralelní připojení dvou zenerových diod fungovat.
Pouze experimentálně je možné co nejpřesněji zvolit proud omezující rezistor pro zenerovu diodu.K tomu je k již fungujícímu obvodu (například na prkénku) připojen odpor o jmenovité hodnotě přibližně 1 kOhm a mezi něj a zenerovou diodu v otevřeném obvodu je umístěn ampérmetr a proměnný odpor. Po zapnutí obvodu je třeba otáčet knoflíkem s proměnným odporem, dokud částí obvodu neproteče požadovaný jmenovitý stabilizační proud (uvedeno v charakteristice zenerovy diody).
Zesilovací tranzistor se vybírá podle dvou hlavních kritérií. Za prvé, pro uvažovaný obvod to musí být struktura n-p-n. Za druhé, v charakteristikách stávajícího tranzistoru se musíte podívat na maximální kolektorový proud. Měl by být o něco větší než maximální proud, pro který bude sestavený napájecí zdroj navržen.
Zatěžovací odpor v typických obvodech má jmenovitou hodnotu od 1 kOhm do 10 kOhm. Neměli byste brát menší odpor, protože pokud není napájecí zdroj zatížen, tímto odporem proteče příliš velký proud a spálí se.
Návrh a výroba PCB
Nyní se stručně podívejme na jasný příklad vývoje a montáže stabilizovaného napájecího zdroje vlastníma rukama. Nejprve musíte najít všechny součásti přítomné v obvodu. Pokud neexistují kondenzátory, rezistory nebo zenerovy diody požadovaných jmenovitých hodnot, dostaneme se ze situace pomocí výše popsaných metod.
Dále budeme muset navrhnout a vyrobit desku plošných spojů pro naše zařízení. Pro začátečníky je nejlepší použít jednoduchý a hlavně bezplatný software, jako je Sprint Layout.
Na virtuální desku rozmístíme všechny součástky podle zvoleného obvodu. Optimalizujeme jejich umístění a upravujeme je podle toho, jaké konkrétní díly jsou k dispozici.V této fázi se doporučuje dvakrát zkontrolovat skutečné rozměry součástek a porovnat je s těmi, které byly přidány do vyvinutého obvodu. Zvláštní pozornost věnujte polaritě elektrolytických kondenzátorů, umístění vývodů tranzistoru, zenerovy diody a diodového můstku.
Pokud chcete přidat signál k napájení Světelná dioda, pak může být zařazen do obvodu jak před zenerovou diodou, tak za (nejlépe). Chcete-li pro něj vybrat odpor omezující proud, musíte provést následující výpočet. Od napětí části obvodu odečteme úbytek napětí na LED a výsledek vydělíme jmenovitým proudem jejího napájení. Příklad. V oblasti, do které plánujeme připojit signál Světelná dioda, je zde stabilizováno 12 V. Pokles napětí pro standard LED diody asi 3 V a jmenovitý napájecí proud je 20 mA (0,02 A). Zjistíme, že odpor omezujícího rezistoru je R = 450 Ohmů.
Kontrola součástí a sestavení napájecího zdroje
Po vyvolání desky v programu ji přeneseme na sklolaminát, naleptáme, pocínujeme a odstraníme přebytečné tavidlo.
Poté nainstalujeme rádiové komponenty. Zde stojí za to říci, že by nebylo špatné okamžitě zkontrolovat jejich výkon, zvláště pokud nejsou nové. Jak a co zkontrolovat?
Vinutí transformátoru se kontroluje ohmmetrem. Kde je odpor větší, je primární vinutí. Dále jej musíte zapojit do sítě a ujistit se, že produkuje požadované snížené napětí. Při měření buďte velmi opatrní. Všimněte si také, že výstupní napětí je proměnlivé, takže na voltmetru je zapnutý odpovídající režim.
Rezistory se kontrolují ohmmetrem. Zenerova dioda by měla „zvonit“ pouze v jednom směru. Diodový můstek zkontrolujeme podle schématu.Diody v něm zabudované musí vést proud pouze jedním směrem. Pro testování kondenzátorů budete potřebovat speciální zařízení pro měření elektrické kapacity. V tranzistoru n-p-n musí proud téct od báze k emitoru ke kolektoru. Neměla by proudit jinými směry.
Nejlepší je začít montáž s malými díly - odpory, zenerova dioda, LED. Poté se připájejí kondenzátory a diodový můstek.
Věnujte zvláštní pozornost procesu instalace výkonného tranzistoru. Pokud zaměníte jeho závěry, obvod nebude fungovat. Navíc se tento komponent při zátěži dost zahřívá, takže musí být instalován na radiátor.
Největší část je instalována jako poslední - transformátor. Dále je na svorky primárního vinutí připájena napájecí zástrčka s drátem. Vodiče jsou také umístěny na výstupu napájecího zdroje.
Nezbývá než důkladně dvakrát zkontrolovat správnou instalaci všech komponent, smýt zbývající tavidlo a zapnout napájení sítě. Pokud je vše provedeno správně, LED bude svítit a výstup multimetr zobrazí požadované napětí.
