Elektronika

Maturitní otázky

KLASICKÉ ZDROJE PRO ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ

32.Klasické zdroje pro elektronická zařízení

Skládají se z transformátoru TR, usměrňovače U, filtru F a resp. stabilizátoru napětí S.

Transformátor - transformuje napětí sítě na požadovanou úroveň

           - odděluje galvanicky napájený přístroj od sítě

           - působí jako filtr proti vysokým frekvencím

Usměrňovač - mění střídavé síťové napětí na stejnosměrné, může být jednocestný, dvoucestný resp. Graetzovo zapojení s kapacitní nebo induktivní zátěží

Filtr - vyhlazuje zbytky střídavých napětí po usměrnění. Rozeznáváme filtry LC, RC nebo aktivní filtry.

Stabilizátor - stabilizuje výstupní napětí proti změnám jak zátěže, tak i napájecí sítě. Mohou být se spojitou nebo nespojitou regulací.

Transformátor

Transformátor se skládá z dvou nebo více cívek, umístěných na společném magnetickém jádře a vázaných společnou magnetickou vazbou. Jedno vinutí (cívka) je primární (to, kam přivádíme elektrickou energii), ostatní jsou sekundární (z nich energii odebíráme).

Přivedeme-li na primární vinutí elektrické střídavé napětí o frekvenci f, začne vinutím protékat elektrický proud, který vytvoří v magnetickém jádře magnetický tok F, který protéká všemi vinutími (až na malou část rozptylového toku, uzavírajícího se jinými cestami). Tento magnetický tok nám indukuje podle Lenzova zákona v sekundárních vinutích napětí, jehož velikost je dána vztahem . Magnetický tok je dán součinem F = B . S_fe, kde B je magnetická indukce a S_fe je průřez železa, kterým magnetický tok prochází. Aby nedošlo k přesycení železa nebo materiálu jádra, nesmí překročit hodnota B hodnotu B_max, která je udávána výrobcem a bývá u železa 1-1,2T, orthoperm 1,6 T, permaloy 1,8 - 2 T a u feritů 0,2 - 0,3 T.

                Pro primární napětí platí vztah U₁ = 4,44 . B_max . S_fe . f . N₁. Poměr p = U₁ / U₂ nazýváme převodem transformátoru a platí . Uzavřeme-li sekundární obvod, začne téci sekundární proud a předpokládáme-li, že v transformátoru nejsou ztráty, platí rovnost výkonů P₁ = P₂, tudíž  z čehož plyne . Pro převod impedancí a tudíž i odporů platí .

Návrh transformátoru se provádí převážně pomocí tabulek, které udávají normalizované typy transformátorů a cívek, vyráběných elektrotechnickým průmyslem a jim příslušné hodnoty počtu závitů na volt, střední délky závitů a další potřebné hodnoty jednotlivých typů jader.

                Vhodné jádro se volí podle výkonu, požadovaného od transformátoru s ohledem na proveditelnost vinutí (počet vinutí a plocha okna vybraného jádra). Rovněž jsou tabelovány vyráběné průměry smaltovaných drátů pro provedení vinutí. Uváděné hodnoty lze např. najít v .

Příklad návrhu transformátoru

Navrhnout transformátor pro následující hodnoty:

      U₁ = 220 V, U₂₁ = 12V/1A, U₂₂ = 12V/0,6A, U₂₃ = 24V/0,5A.

                Výkon transformátoru: N_s = 12.1 + 12.0,6 + 24.0,5 = 31,2 VA

Předpokládáme-li účinnost transformátoru h = 80 %, je příkon transformátoru N_p = N_s/h = 31,2/0,8 = 39 W.

                   Volíme z plechy EI 25x32, tl.0,35 mm.Odečteme z tabulky

      6,6 záv/V.

                Pro dimenzování drátů volíme proudovou hustotu s = 2,5 A/mm².

                Primární proud I₁ = N_p/U₁ = 39/220 = 0,177 A.

Průměr drátu:

pro primár je pro zvolenou proudovou hustotu z tabulky drátů d₁=0,30mm  čemuž odpovídá 770 záv/cm².

Sekundární vinutí: d₂₁ = 0,75 mm, 140 záv/cm²,

d₂₂ = 0,56 mm², 240 záv/cm²,                d₂₃ = 0,53 mm², 265 záv/cm².

Všechny uvedené hodnoty jsou v tabulce drátů v .

Počty závitů:

N₁ = U₁  . 6,6 záv/V = 220 . 6,6 - 5% = 1452 záv

N₂₁ = U₂₁ . 6,6 + 5% = 83 záv, N₂₂ = U₂₂ . 6,6 + 5% = 83 záv,

N₂₃ = U₂₃ + 5% = 166 záv.

Pozn.: Ke kompenzaci úbytků napětí na činných a jalových odporech jednotlivých vinutí se doporučuje zmenšit počet primárních závitů cca o 5% a zvětšit počty všech sekundárních závitů o cca 5%.

Kontrola proveditelnosti transformátoru.

  Potřebná plocha pro vinutí je:

    Pro vývody po obou stranách cívky je k dispozici plocha 2,30 cm², po        jedné straně je k dispozici plocha 2,74 cm². Vinutí je tudíž neproveditelné. Vezmeme jádro o rozměrech EI 25 x 40.

                                                                                                                          Pro toto jádro udává tabulka :

  počet závitů na volt : 5,3 z/V  k dispozici pro vinutí je stejná plocha   (jedná se o stejné okno jako u předchozího transformátoru).

    N₁ = 1108 závitů, potřebná plocha je 1,436 cm²

    N₂₁ = 61 závitů,  potřebná plocha je 0,436 cm²

    N₂₁ = 61 závitů,  potřebná plocha je 0,254 cm²

    N₂₃ = 134 závitů, potřebná plocha je 0,506 cm²

    Celková potřebná plocha pro vinutí + 5% = 2,76 cm².

    Tento transformátor je s vývody po jedné straně proveditelný.

                  Určeme ještě délky drátů jednotlivých vinutí a jejich ohmické odpory.  Střední délka závitu pro jádro EI 25 x 40 je 165 mm (střední hodnota                      udávaná pro plnění 50% a 100%).

  Drát d₁ = 0,30mm má odpor 253 W/km. Při 1108 záv. je délka vinutí l₁ = 165 10^-6 x 1108 = 0,182 km

     a odpor vinutí r₁ = 0,182 x 253 = 46 W.       

     Drát d₂₁ = 0,75 mm má odpor 40 W/km. Při 67 závitech je délka vinutí    l₂₁= 165 x 10^-6 x 67 = 0,011 km

    a odpor vinutí je r₂₁ = 0,011 x 40 = 0,44W

    Drát d₂₂ = 0,56 mm má odpor 72 W/km. Při 67 závitech je délka vinutí opět l₂₂ = 0,011 km a odpor r₂₂ = 0,011 x 72 = 0,792 W.

    Drát d₂₃ = 0,5 mm má odpor 91 W/km. Při 133 závitech je jeho délka l₂₃ =165 x 10^-6 x 133 = 0,0219 km

a odpor je r₂₃ = 0,0219 x 91 = 2 W.

Celkový odpor transformátoru, který vstupuje do odporu fáze je

       pro 1. vinutí

   pro 2. vinutí

    pro 3. vinutí

Určení váhy transformátoru.

Váha železa pro EI 25 x 40 je G_Fe = 1,02 kg  ( z tabulky plechů).

Váha mědi ( vinutí):

    ,

kde g_i jsou váhy jednotlivých drátů v g/km, odečtěné v .

Celková váha transformátoru

                   Ztráty v transformátoru jsou dány ztrátami v železe a v mědi.

                   Ztráty v železe:

                   kde Z₁₀je ztrátové číslo plechů(=1,6W/kg),B je magnetická indukce (T)     

                   Ztráty v mědi:  

                   Účinnost transformátoru:

                   Kontrola chlazení: Z tabulky plechů odečteme ochlazovací plochu pro plechy EI 25x40 P=203cm². Vypočteme poměr . Pro dobré chlazení transformátoru musí být tento poměr ³ 15 ¸ 22 cm²/W. Kdyby nebyla tato podmínka splněna, musel by se použít buď větší rozměr transformátoru, nebo dodatečné chlazení.

Usměrňovač

Principielní schéma jednocestného usměrňovače je na obr.1.

Proud protéká zátěží pouze po dobu, po kterou je anoda diody kladnější než katoda. Není-li k zátěži připojen filtrační kondenzátor, protéká proud zátěží pouze v první půlperiodě napětí. Rovněž napětí na zátěži má stejný průběh a střední hodnota napětí na zátěži je dána vztahem , kde U_M je amplituda vstupního napětí usměrňovače. Připojíme-li paralelně k zátěži kondenzátor, změní se průběh napětí na zátěži podle velikosti kondenzátoru a podle velikosti zátěže (odebíraného proudu). Střední hodnota napětí na zátěži se mění a nachází se v rozsahu dvou mezních hodnot, mezi hodnotou , je-li hodnota kondenzátoru C ® ¥ a ,  tj. cca 32 % , je-li C = 0. Dimenzování diody se provádí napěťově na hodnotu  (je-li připojen filtrační kondenzátor) a proudově na hodnotu , kde  jsou hodnoty zátěže.

Alterativní zapojení usměrňovače jako dvoucestného nebo Grätzova se navrhují nejsnáze pomocí grafů, kde lze odečíst potřebné napětí transformátoru a zvlnění.

Zapojení dvoucestného a můstkového usměrňovače

Návrh usměrňovače

K návrhu používáme s výhodou grafy, protože matematické vztahy, popisující činnost usměrňovače jsou nepohodlné a nepřehledné.

Příklad: Navrhnout usměrňovač, je-li dáno:

Výstupní napětí U = 30V, výstupní proud do zátěže I_z = 2A, f = 50 Hz,

U_zv = 3V .

Zatěžovací odpor usměrňovače je

Činitel zvlnění

Pro odhad kapacity použíjeme vzorec

volíme

Určíme odpor fáze.

Odpor fáze se skládá z odporu transformátoru (viz příklad návrhu transformátoru R_TR, odporu usměrňovače R_U a resp. ochraného odporu R_o, je-li tento použit. (R_o se volí (0,01 ¸ 0,1)W a chrání diody v okamžiku připnutí usměrňovače na napájecí napětí). Odpor usměrňovače volíme 1W pro diodu.

Předpokládáme-li dvojcestný usměrňovač, odpor transformátoru

R_TR = 3W a ochranný odpor 0W, je odpor fáze .

Určíme poměr

Vypočítáme součin

Z grafu závislosti  pro dvojcestný usměrňovač odečteme .

Z toho amplituda napětí na transformátoru je

Efektivní hodnota potřebného výstupního napětí transformátoru je

Z grafu závislosti  pro dvoucestný usměrňovač odečteme ,    Þ 

Z grafu závislosti  odečteme , odkud maximální proud v usměrňovači je I_m = 4I = 8A.