Linearno napajanje je vrsta napajanja koje koristi transformator za smanjenje naponske razine, diode za ispravljanje AC signala u DC signale, te regulator napona za održavanje stabilnog DC napona na izlazu. Ovaj tip napajanja često se koristi u uređajima gdje je potrebna visoka preciznost i niska razina buke u električnom signalu.
Glavne karakteristike linearnog napajanja uključuju:
- Transformator: Koristi se za smanjenje ili povećanje naponske razine, ovisno o potrebama uređaja.
- Diodni Most: Koristi se za ispravljanje ulaznog AC signala u DC signal. Ovaj korak osigurava da se na izlazu dobije konstantan smjer struje.
- Filtriranje: Nakon ispravljanja, signal prolazi kroz filter koji uklanja preostale oscilacije i stvara čistu DC struju.
- Regulator Napona: Koristi se za održavanje stabilnog izlaznog napona bez obzira na promjene opterećenja ili varijacije ulaznog napona. Ovaj korak osigurava konstantnu izlaznu napetost, često s visokom preciznošću.
- Niska Razina Šuma: Linearno napajanje obično ima manju razinu šuma u usporedbi s drugim vrstama napajanja, što ga čini pogodnim za uređaje koji zahtijevaju čist električni signal.
- Preciznost: Linearno napajanje pruža visoku preciznost izlaznog napona, što ga čini prikladnim za primjene gdje je važna točnost napajanja.
- Veća Težina i Veličina: U usporedbi s drugim vrstama napajanja, linearni izvor napajanja može biti teži i veći zbog korištenja transformatora.
Linearna napajanja često se koriste u audio sustavima, laboratorijskim uređajima, medicinskoj opremi i drugim primjenama gdje je ključna preciznost napajanja i minimalna razina smetnji.
Neregulirano napajanje
Većina adaptera za napajanje manjih elektronskih uređaja ima ispravljač za neregulirani napon koji se sastoji od transformatora za snižavanje napona, greatz dioda i jednog eletrolitskog kondenzatora za filtiranje napona. Tipični ispravljač za modem ima 12-13 V izmjeničnog napona na sekundaru, ali proizvodi 14V pri opterećenju i 17 do 18 V kad nema opterećenja. Nazivni napon kondenzatora mora biti veći od napona na sekundaru (13V X 1.414 ili 18.33V -standardna vrijednost je 25V). Kapacitet kondenzatora je 10.000 µF za 1A struje opterećenja, kako bi se izgladila valovitost napona.
Vodič za projektiranje ispravljača
Napon transformatora: Potreban sekundarni izmjenični napon transformatora uvelike varira ovisno o vrsti odabranog ispravljača i rasporedu filtera. Upotrijebite donje formule kao vodič na temelju istosmjernog napona koji vam je potreban i odabranog ispravljača/filtara. Sve reference izmjeničnog napona su R.M.S. Ne zaboravite uzeti u obzir gubitke (nisu uključeni u ovaj vodič), osobito pad napona diode. Ostavite odgovarajuću sigurnosnu marginu za zahtjeve napona D.C. regulatora i minimalni radni napon.
Vrijednost struje transformatora: Nazivnu izmjeničnu struju transformatora potrebno je ponovno izračunati iz istosmjerne struje opterećenja. Potrebna struja ovisi o vrsti odabranog ispravljača i vrsti filtra. Koristite donje formule kao vodič, prikazane za uobičajene DC zalihe. Uključeno u formule veća struja punjenja kondenzatora od vrha do vrha u filtru.
Napomena o odabiru ispravljača: Prilikom odabira ispravljača, imajte na umu da je prosječna struja u punom valovnom krugu 0,5 x DC struje po diodi. U poluvalnom krugu, prosječna struja jednaka je DC struji po diodi. Preporučuje se vrijednost barem dvostruko veća od izlazne struje kako bi se pokrila pojava udarnog trenutka pri uključivanju. U punovalnim krugovima, ocjena obratnog napona trebala bi biti veća od 1,4 x V A.C. U poluvalnim krugovima, ocjena obratnog napona trebala bi biti veća od 2,8 x V A.C.
Napomena o odabiru kondenzatora: Prilikom odabira napona kondenzatora, potrebno je uzeti u obzir porast istosmjernog napona zbog regulacije transformatora. Zapamtite, R.M.S. valovitost struje u filterskom kondenzatoru može biti 2 do 3 puta veća od istosmjerne struje opterećenja. Vijek trajanja kondenzatora znatno se povećava smanjenjem njegove temperature putem manjeg R.M.S. trenutna ili smanjena temperatura okoline.
Linearno napajanje s regulatorima s IC regulatorima 78xx i 79xx
Stabilizatori iz serije 78xx i 79xx su monolitni stabilizatori sa fiksnim naponom, gdje xx predstavlja napon stabilizacije; 78xx su stabilizatori pozitivnog napona, a 79xx negativnog. XX može biti: 05, 06, 08, 09, 10, 12, 15, 18 i 24. Ovi stabilizatori imaju veliki stupanj stabilizacije, veliko potiskivanje bruma, internu temperaturnu zaštitu, kao i zaštitu od kratkog spoja. Pored različitih vrednosti napona, stabilizatori se razlikuju i po maksimalnoj struji koju mogu da izdrže, a označavaju se ovako: 78Lxx, 100mA, kućište TO-92; 78xx, 1A, kućište TO-220; 78xxK, 1,5A, kućište TO-3; 78S05, 2A, kućište TO-220; 78Txx, 3A, kućište TO-220. Od negativnih, postoje varijante 79Lxx, 79xx i 79xxK. Na sljedećoj slici prikazani su rasporedi izvoda za sve tipove.
Osnovna shema spajanja izgleda ovako:
Preporučena vrijednost za C1 je 330nF, a za C2 je 100nF, mada se u praksi sreću vrednosti od 47nF do 470nF za C1 i od 10nF do 100nF za C2; čak se negdje za C1 postavlja elektrolitski kondenzator od 1 do 10µF. Ulazni napon može da bude do 30V (za 7824 do 40V), a mora da bude bar za 2,5 V veći od napona stabilizacije.
Ako Vam je potreban napon za koji ne postoji ovakav stabilizator, dodavanjem zener diode možete da povećate napon stabilizacije; u tom slučaju izlazni napon jednak je zbiru napona zener diode i napona za koji je predvidjen stabilizator. Shema izgleda ovako:
Otpornik R1 se računa po sljedećoj formuli:
R1=Uxx/I1
gdje je Uxx napon stabilizatora, a I1 struja koja prolazi kroz R1. Kao što se vidi sa slike, I1 i Iq se zbrajaju i čine struju koja prolazi kroz zener diodu Iz. Iq je obično oko 5 mA.
Ako Vam je potrebno samo malo povećanje izlaznog napona možete da umjesto zener diode stavite jednu običnu diodu ili više povezanih u seriju. U tom slučaju izlazni napon se povećava za pad napona na diodi (ili diodama), što otprilike iznosi oko 0,6V po diodi; obratite pažnju na polaritet diode:
Moguće je ostvariti i kontinuiranu regulaciju napona dodavanjem samo jednog potenciometra u osnovnu shemu:
Ako Vam je potrebna veća struja od one koju stabilizator može da obezbjedi, dodavanjem jednog otpornika i tranzistora to ćete jednostavno riješiti:
Princip rada je veoma jednostavan: kada struja pređe otprilike 700 mA, pad napona na otporniku od 1 om prelazi 0,7 V, pa tranzistor počinje da provodi. Iako stabilizator ima internu zaštitu od kratkog spoja, u ovom slučaju je potrebno zaštiti tranzistor od preopterećenja i to prema sljedećoj shemi:
Otpornik R2 treba izračunati tako, da se pri maksimalnoj struji koju želimo da propustimo kroz tranzistor, javlja pad napona od oko 0,7 V.
Stabilizatori serije 78xx mogu da se koriste i kao izvor konstantne struje:
Izlazna struja računa se po sljedećoj formuli:
Iiz=(Uxx/R1)+Iq
gde je Uxx napon stabilizatora, a Iq je oko 5 mA. Obratite pažnju da stabilizator nije nigdje spojen na masu i da se veže u seriju s potrošačem, a drugi kraj potrošača se veže na masu. Ako ovaj sklop koristimo za punjenje baterija, moramo da izračunamo potreban ulazni napon, a on zavisi od napona stabilizatora i broja ćelija koje punimo. Na napon stabilizatora treba dodati oko 2 V, koliko iznosi pad napona na samom stabilizatoru, i oko 2 V za svaku NiCd ili NiMH ćeliju koju punimo. Ako, npr. punimo dve NiCd ćelije sa stabilizatorom od 5 V, potreban nam je ulazni napon od bar 11 V; 5 + 2 + (2 * 2). Takodje je potrebno staviti otpornik odgovarajuće snage, jer može doći do velike disipacije.
Za kraj, ako Vam je potreban simetričan napon, koristite 78xx i 79xx prema sljedećoj shemi:
Ispravljač bez transformatora
Ispravljač bez transformatora je najlakše napraviti povezivanjem kondenzatora u krug izmjenične struje u seriju s potrošačem (slika 1). Ovakav ispravljač je pogodan samo ako nam nisu potrebne velike struje, što znači da je skoro idealan za manje zahtijevne aplikacije. Izbjegavanjem transformatora ostvarujemo popriličnu uštedu, ali postoji veliki rizik, jer je uređaj koji se napaja na ovakav način na potencijalu gradske mreže, pa uređaj mora da se ugradi u izoliranu kutiju kako bi se onemogući direktan kontakt nekog od elemenata koji je pod naponom. Da bi smo odredili vrijednost za kondenzator koji nam je potreban, moramo da znamo koja struja nam je potrebna, pa ćemo da se poslužimo ohmovim zakonom:
I=U/R
Iako kondenzator nema ohmski otpor, pošto se ovde radi o izmjeničnoj struji, postoji kapacitivni otpor kondenzatora koji se obilježava sa Xc i računa se prema sljedećoj formuli:
Xc=1/(2*Pi*f*C)
gdje je f frekvenca izmjeničnog napona, a C kapacitet kondenzatora. Znači, formula za izračunavanje struje u odnosu na kapacitet kondenzatora izgleda ovako:
I=U*2*Pi*f*C
Ubacivanjem vrjednosti u jednačinu dobijamo:
I=220*2*3,141*50*C=69115*C, odnosno I=69 mA/µF
Treba napomenuti da gornja formula važi samo ako je V1 puno veći od V2 (vidi sliku 1).
Pošto se radi o izmjeničnoj struji, možemo da izdvojimo svaku poluperiodu posebno i da dobijemo simetričan ispravljač, sa pozitivnim i negativnim naponom (slika 2), ali nam je tada struja u svakoj grani duplo manja.
U većini slučajeva nam je potreban stabiliziran napon, ali ne i negativan, pa možemo da primjenimo sljedeću shemu:
Otpornik od 47 oma služi za ograničavanje početne struje koju povlači kondenzator u momentu uključenja na mrežni napon, a otpornik od 1 M služi za pražnjenje kondenzatora nakon isključenja mrežnog napona. Kao što se vidi, u ovoj shemi se koristi samo jedna poluperioda, pa je, kao što smo rekli, struja koju sklop može dati jednaka polovini izračunate po gornjoj formuli. Konkretno, ovaj sklop može da osigura oko 35 mA. Ako želite izvući maksimalnu struju, umijesto dvije diode upotrebite četiri spojene u grecov spoj kao na sljedećoj shemi:
Stabilizirani izvor napajanja 0-30 V s regulacijom struje od 0,002-3A
Ovo je kvalitetno napajanje s kontinuiranom promjenom stabiliziranog napona od 0 do 30V. Napajanje ima sklop za ograničavanje struje od 2 mA do 3A. Zbog tih svojstava ovaj uređaj je neophodan za laboratorijske svrhe jer je moguće ograničiti struju na određeni maksimum i tako napajati sklop koji se testira bez straha od oštećenja sklopa ako nešto pođe kako ne treba.
Postoji i vizualna indikacija rada sklopa za ograničavanje struje, pa tako možete vidjeti da li struja kroz sklop prelazi određenu granicu koju smo postavili s potenciometrom.
Tehničke specifikacije:
Ulazni napon: …………..…….. 24 V izmjenični napon
Ulazna struja: …………..…….. 3 A (max)
Izlazni napon: ………..………. 0-30 V podešavanje
Izlazana struja: …………. …… 2 mA-3 A podešavanje
Valovitost izlaznog napona:.. 0.01 % maksimum
Lista dijelova
R1 = 2,2 Kohm 1W
R2 = 82 Ohm 1/4W
R3 = 220 Ohm 1/4W
R4 = 4,7 KOhm 1/4W
R5, R6, R13, R20, R21 = 10 KOhm 1/4W
R7 = 0,47 Ohm 5W
R8, R11 = 27 KOhm 1/4W
R9, R19 = 2,2 KOhm 1/4W
R10 = 270 KOhm 1/4W
R12, R18 = 56KOhm 1/4W
R14 = 1,5 KOhm 1/4W
R15, R16 = 1 KOhm 1/4W
R17 = 33 Ohm 1/4W
R22 = 3,9 KOhm 1/4W
RV1 = 100K trimer
P1, P2 = 10KOhm linearni ponteciometar
C1 = 3300 uF/50V electrolitski kond.
C2, C3 = 47uF/50V electrolitski kond.
C4 = 100nF polyester
C5 = 200nF polyester
C6 = 100pF keramički
C7 = 10uF/50V electrolitski kond.
C8 = 330pF keramički
C9 = 100pF keramički
D1, D2, D3, D4 = 1N5402,3,4 diode 2A – RAX GI837U
D5, D6 = 1N4148
D7, D8 = 5,6V Zener
D9, D10 = 1N4148
D11 = 1N4001 diode 1A
Q1 = BC548, NPN transistor ili BC547
Q2 = 2N2219 NPN transistor
Q3 = BC557, PNP transistor ili BC327
Q4 = 2N3055 NPN transistor snage
U1, U2, U3 = TL081, operaciono pojačalo
D12 = LED dioda