Praktická elektronika/Zdroje

Zdroj je obecně součástka, která způsobuje, že v obvodu teče proud.

Časový průběh veličiny

Zdroje rozlišujeme zejména podle průběhu dodávaného napětí (u napěťového zdroje) nebo proudu (u proudového zdroje):

• stejnosměrný (napětí/proud má stálou, neměnnou hodnotu)
• stejnosměrný se střídavou složkou (napětí/proud kolísá okolo své střední hodnoty)
• střídavý
  • harmonický také označován jako sinusový (napětí/proud má hladký matematický průběh sinusové křivky) - oscilátor
  • neharmonický také označován jako nesinusový (napětí/proud má jiný průběh např. obdélníkový, trojúhelníkový, pilový) - generátor
• pulsní

Střídavá složka u stejnosměrných zdrojů bývá na obtíž a je obvykle způsobena nedostatečným vyhlazením usměrněného síťového napětí. Více o střídavém proudu a usměrnění.

Kromě toho je rozlišujeme také podle toho, jak se chovají vzhledem k zátěži, což probereme v následujících podkapitolách:

Napěťový zdroj

Napětí vzniká díky tomu, že kladné ionty jednoho kovu jsou ochotnější se rozpouštět

Autobaterie, schopná vyvinout proud přes 300 A, je příkladem tvrdého napěťového zdroje (12 V)

Obyčejné 1,5/4,5/9 V baterie jsou měkkým napěťovým zdrojem (a ideálním k většině pokusů)

Ideální napěťový zdroj má na svých svorkách dané napětí, nezávisle na odebíraném proudu.

V praxi se s takový ideálním zdrojem nesetkáme: u (skoro) každého zdroje buďto

• poklesne napětí, pokud začneme odebírat proud, nebo v lepším případě
• poklesne napětí, pokud odebíraný proud překročí nějakou mez.

Nejjednodušší zapojení přibližující chování skutečného zdroje je přidat tzv. vnitřní odpor.

Napěťový zdroj s vnitřním odporem

Při průtoku proudu vzniká napětí na "vnitřním rezistoru" a výstupní napětí klesá. Proud nakrátko (zkratový proud) je pak dán jako U / R_i. Podobně se chovají například síťové adaptéry či baterie. Zdroj, který má malý vnitřní odpor a tudíž může do zátěže dodávat velký proud, se nazývá tvrdý.

Lze zapojit dva napěťové zdroje sériově (za sebe) - pak se jejich napětí sečtou. Naopak je nesmíme zapojit paralelně (vedle sebe), protože pak by zdroj s vyšším napětím byl zkratován skrz druhý, což by nesvědčilo ani jednomu.

Proudový zdroj

Ideální proudový zdroj dodává daný proud, nezávisle na tom, jaké napětí k tomu musí vyvinout. V praxi se s proudovými zdroji setkáme spíše jen výjimečně.

Nikdy nenajdeme ideální proudový zdroj - to se projeví tím, že jeho snahy o udržení stálého proudu skončí na tom, že nebude schopný vyvinout dostatečné napětí k proražení vzduchu, když rozpojíme obvod (naštěstí!).

Lze zapojit dva proudové zdroje paralelně (vedle sebe) - pak se jejich proudy sečtou. Naopak je nesmíme a nemáme důvod zapojit sériově (za sebe), protože pak by zdroj s větším proudem vynucoval větší proud i ve druhém zdroji! To u proudových zdrojů nejde.

Stejnosměrné zdroje se stabilizátory

K získání zdrojů napětí/proudu, které pro malou proudovou/napěťovou zátěž chovají skoro ideálně, se vyrábějí snadno použitelné integrované obvody.

Zdroj napětí se stabilizátorem

Abychom získali stabilizované napětí 5 V, 8 V, 12 V atd., můžeme použít integrovaný stabilizátor 7805, 7808, 7812 atd. podle schématu:

Na vstupu stabilizátoru musí být napětí aspoň o 1,5 V vyšší než požadujeme na výstupu. Stabilizátor sníží vstupující napětí tak, aby rozdíl mezi zemí a výstupem byl vždy na stanovené úrovni. U tohoto zdroje - alespoň pro malé odebírané proudy - se skoro nemění výstupní napětí.

Ampérmetrem se můžeme ujistit, že proud tekoucí rezistorem R je nepřímo úměrný jeho rezistenci.

Vložením diody (v propustném směru) mezi zemnicí nožičku a zemi můžeme zvýšit výstupní napětí stabilizátoru, protože tím zvedneme celou jeho napěťovou úroveň o úbytek napětí na diodě.

Krom obvodů řady 78xx lze použít i LM317, který umožňuje spojité nastavení výstupního napětí díky tomu, že jeho zemnicí nožičkou protéká trvalý proud 100 µA. Zapojení potenciometru tomuto proudu do cesty způsobí podobné zvednutí napěťové úrovně.

Pro stabilizaci napětí s opačnou polaritou se používají obvody řady 79xx.

Zdroj proudu

K získání stabilizovaného proudového zdroje můžeme opět použít integrovaný obvod řady 78xx:

V tomto obvodu se stabilizátor 7805 snaží zajistit, aby na rezistoru R₁ bylo napětí právě 5 V. To ale znamená, že jím musí protékat i trvalý proud! Protože můžeme zanedbat malý měřicí proud tekoucí do zemnicí nožičky stabilizátoru, získali jsme zdroj dodávající stabilizovaný proud:

$I={\frac {5V}{R_{1}}}$

Voltmetrem se můžeme ujistit, že napětí na rezistoru R₂ je úměrné jeho rezistenci.

Jeho maximální napětí je samozřejmě omezeno vstupním napětím. Kromě toho má velké ztráty energie právě na rezistoru R₁.

Proudové pojistky

Při práci s tvrdými zdroji, jako je rozvodná síť, autobaterie apod., může v případě zkratu (krátkého spojení výstupů zdroje) spojem protékat velký proud. To může vést ke zničení zdroje, roztavení drátů, požáru... Proto se k ochraně před zkratem za zdroj zařazují:

• Tavné pojistky jsou realizovány jako skleněný nebo porcelánový váleček s tenkým drátkem, který se rychle přepálí při průtoku nadměrného proudu, jsou rozděleny podle rychlosti přepálení : pomalé (T, z anglického time) a rychlé (F. z anglického fast)
• Jističe jsou mechanické spínače se zabudovaným elektromagnetem, který rozpojí obvod, když jím proteče nadměrný proud.
• Elektronické pojistky nebo omezovače proudu jsou elektronické obvody schopné velmi rychle odpojit/omezit proud. Chrání proto i před mikrosekundovým proudovým impulsem postačujícím ke zničení polovodičových součástek, což tavné pojistky ani jističe neumí.

Nabíjení akumulátorů

Partyzánská nabíječka

Stabilizátor LM7805

Jednoduchý obvod umožňující nabíjení mobilu z autobaterie.

• VÝSTUP - dnes se drtivá většina mobilů nabíjí přes USB- v základu 4 piny - dva datové (2 = DATA+ a 3 = DATA-)
  • a dva napájecí (1 =​ +​ ; 4 = ​ -​ ), mezi nimiž je napětí​ 5V​ a může protékat maximální proud 1A
  • Většina mobilů má při nabíjení odběr cca​ 0,6 A.
• VSTUP - olověný akumulátor má na svých svorkách napětí cca 12-14V​.
• STABILIZÁTOR​ - použijeme LM7805 → U_OUT = 5V.
  • Pro správnou funkci musíme mít na vstupu alespoň: U​_IN > U​_OUT ​ + 2 = 7V, ​ což je splněno s velkou rezervou.
  • Naopak nesmíme překročit:​ U​_IN < 35V, ​což zde nehrozí​. ​ I_OUT​ < ​ 1,25 A​ ; stabilizátor tak vyhovuje předpokládanému zatížení.
  • Obvod doplníme o dva kondenzátory​ C​_IN​ ​ = 330 nF​ a ​ C​_OUT​ = ​ 100 nF ​podle katalogového listu.
• SIGNALIZACE - na výstup stabilizátoru připojíme ​LED​ diodu signalizující chod zařízení, v sérii s odporem​ R.​
  • LED:​ u​_d​ = 2,2V; I​_MAX​ = 20mA → R​_MIN ​ = (U​_OUT​ - u​_d​ )/I​_MAX ​ = (5-2,2)/0,02 = 140Ω
  • → volíme z řady E12 → ​ 220Ω.
  • Kontrola na ztrátový výkon: ΔP = u_R/I = (5-2,2)*0,02 = 0,056 < 0,25W → OK
• OCHRANA - použijeme pojistku F: přístrojová, 5x20 mm
  • I_N > I_IN ≈ I_OUT → volíme I_N = 1A
  • jistí polovodič → charakteristika F

Schéma nabíječky

Seznam součástek:

• X_IN - Bateriové svorky 69mm
• X_OUT - USB - A (♀)
• F - přístrojová pojistka 5x20mm; 1A (F)
• Q - LM7805 + chladič (TO-220)
• C_IN = 330 nF/50V
• C_OUT = 100 nF/50V
• R = 220Ω / 0,25W
• D - LED ⌀ 5mm; 2,2V/20mA (zelená)

Test funkce nabíječky

Zapojení USB

Nabíjení baterie

Tento obvod lze použít k nabíjení olověného akumulátoru 12V, například v autě nebo v záložním zdroji (UPS). Čip Q stabilizuje napětí na 13,7V a proud na cca 1,5A. Pro napájení této nabíječky ze sítě je nutné napětí snížit transformátorem a poté usměrnit a vyfiltrovat. Po připojení baterie by proud v ampérech měl být zhruba roven kapacitě akumulátoru v ampérhodinách, s rostoucím stavem nabití klesá. Akumulátor je nutné odpojit nejpozději když proud klesne pod 1% této hodnoty, nebo po uplynutí doby rovné podílu kapacity v ampérhodinách a počátečního proudu v ampérech.

Schéma nabíječky

Seznam součástek

• u_IN = 16 - 40V
• Q - PB137
• C_IN = 1μF
• C_OUT = 10μF
• u_OUT = 13,5 - 14V
• i_OUT = 0,5 - 2A
• B - baterie 12V