26. HÁLÓZATI TÁPEGYSÉGEK Célkiűzés: A hálózi egyenirányíó és silizáló lpkpcsolások és jellemzőinek megismerése, illeőleg mérése. I. Elmélei áekinés Az elekronikus készülékek működeéséhez legöször egyenfeszülségre vn szükség, melye állán elemekkel (illeve kkumuláorokkl), vgy hálózi egységekkel ápegységekkel izosínk. A legegyszerű ápegységek hálózi feszülsége rnszformálják, egyenirányíják és egy kondenzáor lklmzásávl ölés árolják. Az így kpo feszülség ingdozik, mely luláeresző szűrővel csökkenheő. Az ilyen ápegységeke silizálln ápegységnek nevezzük, és számos gykorli célr megfelelőek. H do érékű ápfeszülségre vn szükség, kkor kív elekroniki kpcsolásokkl kimenő feszülsége közelíőleg állndó érékűvé eszik, silizálják. A ápegység ömvázl z 1. árán láhó. A rnszformáor feld, hogy hálózi feszülsége szükséges érékűre lkís á, vlmin glvnikus elválszás izosíson hálózi emene és ápegység kimenee közö. silizálln ápegység hol I 0 z úgyneveze elíési árm, mely diód prméereiől, vlmin hőmérsékleől függ, U diódár kpcsol feszülség, melye nyióirányn ekinünk poziívnk, U T éréke szohőmérsékleen 26 mv. Tpszl szerin z (1) egyenle széles rományhálóz rnszformáor egyenirányíó szűrő feszülség silizáor fogyszó 1. ár Az egyenirányíó ármkör egy vgy ö megfelelően kpcsol diódáól áll. Ismerees, hogy diód (melynek rjzjele 2. árán láhó) kkor engedi á z ármo, h z nód (A jelzésű) kivezeése poziív, min kód. A diódán áfolyó I D árm ngyság [ T ] I = I exp( U/ U ), (1) D 0 1 A K 2. ár 211
n elég jól leírj diódák I(U) krkeriszikájá, h U T helyée egy (30-50) mv közöi éréke írunk. Szűrőkör hiányán egy ohmikus ellenállású fogyszón áfolyó árm egyirányú ugyn, de inenziás zérus és csúcsérék közö állndón válozik. Ez válozás (lükeés) z egyenirányíó uán kpcsol szűrőármkör csökkeni megfelelő érékűre. A legegyszerű szűrési ( simíási ) mód z, mikor z erhelőellenállássl kondenzáor köünk párhuzmosn. Ezen, ápegység úgyneveze pufferkondenzáorán, erhelés mérékéől függően fellépő periodikus feszülségválozás úgófeszülségnek nevezik. Pufferkondenzáorkén állán elekroli-kondenzáorok lklmznk, melyek kpciás (1-10 4 ) µf romány esik. Az elekroli-kondenzáorok polriás függőek, rjzjelük 3. árán láhó. A házr (esre) 3. ár szerel kivezeés mindig negív pólus. A megengedenél ngyo feszülség vgy fordío feszülségpolriás eseén kondenzáor felronh! 1. Egyus egyenirányíó kpcsolás A 4. árán z ohmos ellenállás-erhelésű ( ), pufferkondenzáor nélküli egyenirányíó kpcsolás, vlmin feszülség- és ármlefolyásánk időeli válozás láhó. A rnszformáor szekunder ekercsén megjelenő U s feszülség negív félperiódusink időrm l z erhelésen nem folyik árm. U U s ( U ki) U e ~ D I ki U D U s U ki U eff Tr I I ki I eff 4. ár A kimenei feszülség lükeése ngyméréken csökkenheő z erheléssel párhuzmosn kpcsol C p pufferkondenzáorrl (l. 5. ár). A diód rnszformáor szekunder ekercse poziív félperiódusi egy részidőrm l C p pufferkondenzáor öli, és egyúl erhelés ármá is izosíj. A ovái időpillnokn erhelésen pufferkondenzáor kisüő árm folyik ová. Terhelés nélkül C p pufferkondenzáor csúcsfeszülségre ölődik fel. 212
U U ki U e ~ Tr I D U s D U s I U C D C p U ki I ki I I D I D I ki U eff U 1 2 1, 2, I eff 5. ár A diód kkor nyi ki, mikor rnszformáor szekunder ekercsén mérheő U s feszülség ngyo lesz, min kondenzáor U C (=U ki ) feszülsége. A diódán áfolyó I D árm 1 időpillnól kezdve gyorsn növekszik, mjd csökken és 2 időpillnn, mikor rnszformáor feszülsége már lig hldj meg kondenzáor feszülségé, gykorlilg zérussá válik. A kondenzáor feszülsége 1 időpillnól kezdve növekszik 2 időpillnig, mjd kövekező ölés kezdeéig csökken. A fogyszó ármá z ölés fedezi eljes periódusidő ( 1 -ől 1 -ig) l, mi 1 időpillnól 2 időpillnig áfoly diódán. Eől kövekezik, hogy diódánk rövid ideig igen ngy ármok kell elviselnie úlmelegedés nélkül. Az z idő, meddig diód öli kondenzáor, függ kondenzáor kpciásáól. Ngy kondenzáor csk kevéssé sül ki, ezér 1 későn kezdődik, 1 2 (= 1 2) kicsi, és diód árm ngy. (A ekpcsoláskor fellépő egyszeri ármlökés éréke z álgárm 100-szoros is lehe.) A záróirányn kpcsol diódán (U s éréke negív) jelenős U D feszülség esik. Az 5. árán emuo kpcsolásnál legngyo zárófeszülség éréke erhelés nélküli eseen lép fel, mely rnszformáor csúcsfeszülségének készerese. A C pufferkondenzáoron (vgy z R p erhelőellenálláson) fellépő periodikus feszülségválozás, úgófeszülsége, U -vel jelölük, melye önyire csúcsól-csúcsig dnk meg. U eff (illeve I eff ) periodikusn válkozó kimenő feszülség effekív éréké jelöli, zz nnk z egyenfeszülségnek z éréké, mely T periódusidő l ugynn z ellenállásn ugynkkor hő ermelne. A C p kondenzáor srkin fellépő feszülségválozás egyszerűen megecsülheő. Legyen fogyszó álgos árm I f (megjegyezzük, hogy I f I eff ). Ekkor kondenzáor ölésválozás Q = I f T kis, hol T kis kondenzáor kisüésének ideje. Az 5. áráól láhó, hogy T kis még egyoldls egyenirányíásnál is jó közelíéssel egyenlő hálózi feszülség T periódusidejével, ehá 213
Q I f Tkis I f T U = U = =. (2) C C C p p p 2. Kéus, középpon-leágzású egyenirányíó kpcsolás A 6. árán kéus, középpon-leágzású és ellenállás erhelésű egyenirányíó kpcsolás, vlmin ennek jellkji láhók. A rnszformáor szekunder oldl ké ekercsől áll, melyek zonos feszülsége szolgálnk. Ez középleágzásos szekunder ekercsű hálózi rnszformáor ellenüemen áplálj és D 2 jelű diódákól álló egyus egyenirányíó, mely közös erhelésre dolgozik. A diód n félperiódusn nyi, mikor z A pon feszülsége K és B ponhoz viszonyív poziív, D 2 diód pedig kkor, mikor B pon poziív, min másik keő. U, I U s1 I D2 U e~ A U s1 U s2 Tr B I D1 I D2 K D 2 U ki U I D1 U ki U eff D 2 6. ár Ugynennek kpcsolásnk szűrő-kondenzáorrl elláo válozá és jellkji 7. ár muj. Az egyus egyenirányíáshoz képes kéus egyenirányíássl kise úgófeszülség érheő el. A úgófeszülség kiszámíás mos is z előző gondolmeneel végezheő el, csk mos T helye ennek felével kell számolni. 3. Grez-hídegyenirányíó kpcsolás H nincs középpon leágzású rnszformáor, kkor négy diód felhsználásávl lehe kéus egyenirányíás elérni. Ez kpcsolás (l. 8. ár, jellkji illeően 8. ár) Grez-kpcsolásnk nevezik. Een kpcsolásn mikor rnszformáor szekunder ekercsének A ponj poziív, min B, z árm pufferkondenzáor hiányán 214
- - D 2, z ellenkező félperiódusn pedig D 4 - - D 3 úon folyik. A C p pufferkondenzáor i is z egyenfeszülség lükeésé csökkeni. U, I U s1 I D2 I D1 U e ~ Tr U s1 U s2 D 2 I C C p Uki U U eff U D 2 7. ár U s I A D D 3 U C U U mx U e~ U s D2 I C Tr B D 4 C p Uki I D I C /D 2 D 3 /D 4 /D 2 D 3 /D 4 /D 2 U min 8. ár 4. Villrd-feszülségkészerező egyenirányíó kpcsolás A feszülségsokszorozó egyenirányíó kpcsolások, melyek közül z láikn egye muunk e, kis erhelőármoknál lklmzzák. Ezeken kpcsolásokn kondenzáorok feszülségsokszorozás melle szűrés feldá is elláják, ezér z egyenirányíó és szűrő részeke nem lehe egymásól széválszni. 215
A Villrd-feszülségkészerező egyenirányíó kpcsolás egy egyfokozú feszülségkészerező ármkör, melynek elvi rjz és jellkji 9. árán láhók. Amikor rnszformáor szekunder kivezeésének 0 jelű ponj poziív z 1 jelzehez viszonyív, C 1 kondenzáor diódán kereszül közel csúcsfeszülségre ölődik fel. A kövekező félperiódusn 2 és 0 pon közö C 1 kondenzáor és rnszformáor U s feszülségének összege lép fel. Amikor rnszformáor eléri csúcsfeszülsége: U = U U 2U. (3) 20 C1 smx smx U 3 U 1 2 3 I ki C 1 D 2 U e ~ U s C 2 Uki Tr 0 I 2 1 U C2 I D U C1 U eff I eff 9. ár A C 2 kondenzáor D 2 diódán kereszül ekkor közelíőleg erre feszülségre ölődik fel. Az U 20 = U D feszülség ehá z U 1 C1 egyenfeszülség áll poziív feszülségengelyen elol U s csúcsérékű szinuszos feszülség lesz, mi poziív csúcsoknál készerese z U s szekunder feszülség csúcsérékének (l. 9. ár 2-es göre). [A (3) összefüggés, vlmin z z köveők érelmezéséhez vegyük figyeleme, hogy rnszformáor szekunder ekercse, C 1 kondenzáor és diód áll lkoo ármkören Kirchhoff II. örvényé lklmzv, árendezés uán dódik.] U = UC 1 Us mx sinω (4) 5. Szályozo ápegységek A legegyszerű feszülségszályozó kpcsolások ké csopor oszhók: párhuzmos és soros szályozók. Párhuzmos szályozásnál ápfeszülség egy soros, R S ellenálláson á ju fogyszór, mivel párhuzmosn kpcsolódik szályozó elem (pl. egy Z-diód). Ennél kpcsolásnál felesleges feszülség z ellenálláson esik és szályo- 216
zó elem mindig nnyi ármo vesz fel, mennyi feszülség állndó szinen rásához szükséges. A párhuzmos szályozás elve 10. árán láhó. A 10. árán szályozó elem D Z -vel jelöl Z-diód, 10.c árán pedig egy rnziszoról és Z-diódáól álló egyszerű kpcsolás. Különöző feszülségek silizálásr különöző ípusú Z-diódák gyárnk. Z-diódás silizálásnál rr kell vigyázni, hogy diódán hővé lkuló eljesímény, mi z áhldó árm és diódán eső feszülség szorz, még rövid ideig se hldj meg diód megengede eljesíményé. silizállápegység R S szályozó elem silizálln ápegység szályozó elem R S D Z U ref T R S DZ T R S R 1 D Z c c 10. ár 11. ár T H silizálln ápegység feszülsége U e érékkel ingdozik, és Z-diód árm nem úlságosn sok válozik, kkor könnyű megmuni, hogy fogyszór juó feszülség U ki ingdozás U ki rz = R r S Z U e, (5) hol r Z Z-diód dinmikus ellenállás. A U ki / U e rány gykorln 10 2-10 3 közöi érék. Soros silizálásnál felesleges feszülség egy dinmikusn válozó ellenállású lkrészen (rendszerin egy soros áeresző rnziszoron) esik. A szályozó rendszer úgy válozj z áeresző rnziszoron ájuó ármo, hogy fogyszór mindig kíván fe- 217
szülség jusson. A kimenő feszülség állndó szinen rásához szükség vn egy olyn feszülségre is, mellyel z összehsonlív megállpíhó, hogy z éréke jó-e, vgy sem. Az összehsonlíás lpjául szolgáló feszülsége referenci feszülségnek nevezzük. A 11. árán soros szályozás elvi vázl, 11. árán legegyszerű elvi, c árán gykorli megvlósíás láhó. A és c árákon soros szályozó elem egy rnziszor, melynek kollekor és ázis közöi feszülség széles rományn dinmikusn válozh, ázis és z emier közöi feszülség lig válozik. A c árán referencifeszülsége egy párhuzmos szályozó (R S és D Z ) állíj elő. Ez mjdnem minden soros szályozó kpcsolásnál így vn: referencifeszülsége egy párhuzmos jellegű szályozó szolgálj. Megjegyezzük, hogy soros szályozó kpcsolás krékos párhuzmos szályozóvl szemen, ui. nem vesz fel felesleges ármo, csk feszülségölenek megfelelő energi vész el. A gykorln ennél onyolul, jo kpcsolások hsználnk. A 12. árán egy művelei erősíő egy Z-diódás silizáoról kpj referencifeszülsége. A kimenő feszülség z egyenes erősíő kpcsolásnk megfelelően hol U Z Z-diódán eső feszülség. U ki R1 R2 = U R 1 Z, (6) T R S R 2 R 2 D Z R 1 R 1 D Z RS c R 2 7815 R 1 D Z RS 12. ár d A 12. árán láhó kpcsolás mjdnem eljesen megegyezik 12. árán láhóvl, z egyelen különség z, hogy Z-diód is silizál feszülségről kpj z ármo, ezér 218
sil referencifeszülsége szolgál. A művelei erősíők csk kicsiny (mximum 20 ma) árm előállíásár lklmsk. H fogyszónk ngyo ármr vn szüksége, kkor z előző kpcsolás egy emierköveővel kell kiegészíeni (l. 12.c ár). Ennél kpcsolásnál fogyszó egy rnziszoron kereszül kpj z ármo. A kimenő feszülsége művelei erősíő figyeli és ennek megfelelően vezérli rnziszor ázisfeszülségé. Ilyen kpcsolások inegrál formán is gyárnk. Ekkor feszülségsilizáláshoz egyelen inegrál ármkör kell lklmzni (l. 12.d árán). Megjegyezzük, hogy z inegrál ármkörös feszülségsilizáorok kifogásln működésének feléele, hogy silizálln emenő feszülség leglá 3 V-l ngyo legyen, min kimenő feszülség. II. A mérés menee Az egyes egyenirányíó kpcsolások feszülség és ármerősség jellkjink vizsgálá, illeőleg mérésé késugrs oszcilloszkóppl végezzük. Az oszcilloszkóp feszülség időeli válozásánk vizsgálár lklms készülék, ezér z ármmérés feszülség mérésre vezejük vissz. Ehhez z egyenirányíó kpcsolások egyes elágzási olyn ismer kis érékű (r «) ohmos ellenállás ikunk e, mely z ármkör prméerei gykorlilg nem válozj meg, ugynkkor elegendő érékű hhoz, hogy I éréke U r /r-ől meghározhó legyen. A 13. árán láhó kpcsolásn z r ellenállás diódán, z r' kondenzáoron áfolyó árm időeli válozásánk egyidejű vizsgálá eszi leheővé. A ár diódán áfolyó árm és fogyszón eső feszülség válozásánk egyidejű vizsgáli leheőségé muj. Y 1 Y 1 Tr Tr U e~ U s Y 2 r r' Cp U e~ U s r Cp Y 2 13. ár Mivel z oszcilloszkóp (Y 1 és Y 2 ) függőleges emeneeinek egyike közös 0 -, vgy földpoenciálon lévő pon, ezér függőleges erősíők egyiké (Y 2 ) inverz (/ ) mód célszerű ákpcsolni (l. A kódsugár-oszcilloszkóp, mérések oszcilloszkóppl című gykorlo). A ovái kpcsolások vizsgálánál z előzőeken vázol módon végezheő el mérés. Figyelemmel zonn rr, hogy közös földpoenciálon lévő pon helyelen kilkíás 219
rövidre zár ármkör hozh lére, jánlos mérőkör előzees megervezése, vlmin ekpcsolás megelőzően gykorlvezeő véleményének kikérése. Feszülségsilizáló kpcsolások vizsgálához kpcsolás emeneére egy silizálln feszülsége kell kpcsolni. Erre célr z 5. árán láhó kpcsolás célszerű ( nélkül) hsználni. A feszülségsilizáló kpcsolások lpveően kéféle szemponól szokás vizsgálni: 1. Hogyn efolyásolj emenő feszülség ingdozás kimenő feszülség ingdozásá? 2. Hogyn efolyásolj z fogyszón áfolyó árm megválozás silizál feszülségéréké? A emenő és kimenő feszülség ingdozás egyidejűleg oszcilloszkópon mérheő. Ennél vizsgálnál ügyeljünk rr, hogy z oszcilloszkóp mindké emeneéhez rozó földpon kpcsolás ugynzon ponjához cslkozzon. A silizálln feszülség ingdozás erhelő árm válozásávl (mely ngyságáól függ), illeve szűrő kondenzáor cseréjével efolyásolhó. Feldok: Az lái feldok elvégzése során koordináengelyeken ünesse fel z U, I és mér érékei is, ováá indokolj kpo eredményei! 1. Tervezze meg és rjzolj le 4. árán láhó egyenirányíó lpármkör erhelőellenállásán eső feszülség, vlmin diód árm oszcilloszkópon láhó jellkjink vizsgálához szükséges kpcsolásá! Rjzolj le z oszcilloszkópon láhó jellkok ké lényegesen különöző éréke melle! 2. Isméelje meg feni feldn fogllk z 5. árán megdo ármkör eseéen és C p ké-ké lényegesen különöző érékpárji melle is! Hározz meg kido pufferkondenzáorok egyikének lklmzás eseén z U úgófeszülség erhelőellenállásól vló függésé! Az oszcilloszkóppl kpo mérési eredményei hsonlís össze (2) összefüggésől ecsül érékekkel! Ez uói mérés eseén z I f meghározásához forgóekercses ármmérő hsználjon! 3. Tervezze meg és rjzolj le 6. árán láhó egyenirányíó lpármkör erhelőellenállásán eső feszülség, vlmin diód árm oszcilloszkópon láhó jellkjink vizsgálához szükséges kpcsolásá! Rjzolj le z oszcilloszkópon láhó jellkok ké lényegesen különöző éréke melle! 4. Isméelje meg feni feldn fogllk z 7. árán megdo ármkör eseéen és C p ké-ké lényegesen különöző érékpárj melle is! Hározz meg kido pufferkondenzáorok egyikének lklmzás eseén z U úgófeszülség erhelőellenállásól vló függésé! Az oszcilloszkóppl kpo mérési eredményei hsonlís össze (2) összefüggésől ecsül érékekkel! Ez uói mérés eseén z I f meghározásához forgóekercses ármmérő hsználjon! 220
5. Állís össze 8. árán láhó ármkör és C p ké-ké lényegesen különöző érékpárjávl! Ezek külön-külön örénő ekpcsolásávl rjzolj le erhelőellenálláson eső feszülség, vlmin pufferkondenzáor ármánk z oszcilloszkópon láhó jellkjá! 6. Állís össze 9. árán láhó ármkör! Legyen C(= C 1 = C 2 ) kido pufferkondenzáorok egyike, melyhez válsszon ké lényegesen különöző erhelőellenállás! Mindké eseen rjzolj le erhelőellenálláson eső feszülség, vlmin D 2 diód ármánk z oszcilloszkópon láhó jellkjá, és ecsülje meg kimenő feszülség effekív éréké! Ez uói hározz meg = eseen is! 7. Vizsgálj meg 10., 11.c, 12., és c kpcsolások eseén, hogy mikén efolyásolj emenő feszülség ingdozás kimeneen mérheő feszülsége! Részleezve: ) A kido mérőálán állís össze z 5. ár szerini egyus, silizálln ápegysége. Az árán szereplő helyée 10., 11. és 12. árán lévő összeállíások loldlon lévő és kpcsi kerülnek mjd előjelhelyesen. Az új helye 10., 11. és 12. árákon láhó. ) Kpcsolj silizálln ápegységre 10. árán láhó silizáor. Legyen R s = 680 Ω. A simíó kondenzáor és z új erhelés rendre z lái álázn láhó párosíásn épíse e C p és helyée. C p (µf) (Ω) α) 0 β) 0 600 γ) 22 1800 δ) 22 600 A emenő feszülsége [U e ()] silizálln ápegység kimenee szolgálj, míg kimenő feszülsége [U ki ()] -ről vehejük le. Az α), β), γ) és δ) eseeken oszcilloszkóppl vizsgálj meg z U e () és U ki () feszülségeke. Rjzolj le z oszcilloszkóp képernyőjén láhó jellkok úgy, hogy z összerozó párok [U e () és U ki ()] egyzon árár kerüljenek. A feszülség- és idő engelyeke skálázz. (A késői feldok során is ennek megfelelően járjon el.) A γ) és δ) eseeken hározz meg z U úgófeszülsége, melye szükség szerin z oszcilloszkóp AC üzemmódján is mérjen meg. A (4) formuláól számís ki r Z -. Becsülje meg γ) és δ) eseeken erhelésen áfolyó árm effekív éréké. (A kido zener-diód leörési feszülsége 5,6 V.) c) A mérőálán kpcsolj össze 11.c ár szerini silizáor. Legyen R s = 680 Ω. Az oszcilloszkópon láhó U e () és U ki () jelpárok C p = 220 µf, = 330 Ω, illeve C p = 220 µf, = 100 Ω simíás-erhelés eseén rjzolj le. Hározz meg mindké eseen úgófeszülsége és ecsülje meg erhelésen áfolyó ármerőssége. (A BD 239 rnziszor hűőord nélkül 1 W-ig erhelheő!) d) A 12. ár szerini kpcsolásn legyen R s =1kΩ, C p =22µF; 220 µf; 440 µf; = 600 Ω; 900 Ω; 1800 Ω és U ki = 10 V, mely uóiól dódón R 1 =56kΩ, R 2 =46kΩ. Az oszcilloszkópon láhó jellkok C p = 220 µf és = 600 Ω, illeve = 1800 Ω válszás eseén jegyzőkönyvéen rjzolj le. (A µa 741-es művelei erősíő mximális kimenő árm 20 ma.) 221
e) A 12. ár szerini kpcsolásn szereplő érékek, illeve úmuások zonosk d) feldn leírkkl. f) A 12.c ár szerini kpcsolásn legyen R s =1kΩ, C p =22µF; 220 µf; 440 µf; = 100 Ω; 150 Ω; 330 Ω és U ki = 10 V. Az oszcilloszkópon láhó jellkok C p = 220 µf és = 100 Ω, illeve = 330 Ω válszás eseén jegyzőkönyvéen rjzolj le. Kérdések: 1. Befolyásolj-e hőmérsékle válozás kimenőfeszülség ngyságá? 2. Milyen hássl vn pufferkondenzáor és erhelőellenállás ngyság úgófeszülségre? 3. Akkumuláorok öléséhez szükséges-e szűr (simío) egyenfeszülség? 4. Sorolj fel zon (elvégze) loróriumi gykorlok, hol egyenirányío feszülsége hsznál. Ezek közül hol vol szükség feszülség-silizáor lklmzásár is? Indokolj válszá! 5. Állndó erhelés eseén diódán mikor ngyo csúcsárm, ngyo vgy kise kpciású kondenzáor eseén? 6. Állndó erhelés eseén z álgfeszülség éréke függ-e pufferkondenzáor kpciásánk ngyságáól? 7. Állndó erhelés és do pufferkondenzáor lklmzás eseén z egyus (5. ár), vgy kéus (8. ár) egyenirányíó kpcsolás effekív feszülségének z éréke ngyo? Ajánlo irodlom: 1. Török M.: Elekronik, JATEPress, Szeged, 2000. 2. Ferenczi Ö.: Tápegységek mőröknek, Műszki Könyvkidó, Budpes, 1980. 222