Za skoraj vsako električno napravo, vezje ali komponento moramo na nek način priskrbeti vir energije oziroma jo z njo nekako napajati. Za vse, ki jim je področje elektronike dobro poznano, to običajno ni težava, ker pa danes veliko uporabnikov, ki prihajajo iz povsem drugih področij, uporablja prednosti sodobnih elektronskih vezij in komponent v navezavi s svojim področjem, bo ta zapis na hitro predstavil načine in pomembnejše vidike pri izvedbi napajanja.
Potrebno je vedeti, da so to res samo osnove in da je področje napajanja precej široko in zahtevno, v kar pa se v tem zapisu ne bomo poglabljali, temveč bomo dejansko predstavili samo najbolj pomembno (verjetno pa bomo kasneje še kaj dopolnili, če bo potrebno).
Osnovno vodilo za večino elektronskih vezij je, da mora napajanje zagotavljati dovolj toka za potrebe vezja, ter da je ob tem napetost čimbolj stabilna (to pomeni, da je npr. zahtevanih 5V vedno na izhodu, ne glede na obremenitev, nihanje porabe ali pa spremembo vhodne napetosti napajalnika).
Zelena črta predstavlja stabilno in stabilizirano napetost, rdeča pa se stalno spreminja in ni primerna za napajanje občutljivih vezij.
Najprej si poglejmo malo teorije, ter kaj pomenijo posamezni nazivi in oznake:
1.Vrste napajanja
Glede na način uporabe našega izdelka oz. naprave v glavnem ločimo dve izvedbe napajanja:
a.)fiksno oz. ožičeno napajanje
Ta vrsta se uporablja za vse naprave, ki delujejo na eni lokaciji ali pa v zelo omejenem radiju okrog vira/priključka (klasično 220-240V napajanje iz omrežja, fiksni agregati, solarni sistemi).
Dobre lastnosti:
-praktično neomejena (ali pa vsaj velika) kapaciteta
-precej stabilna napetost
-poceni izvedba za odjem
Slabe lastnosti:
-nevarnost napetostnega udara zaradi visoke napetosti
-prisotnost motenj, zaradi velikega obsega odjemalcev
-vezanost na lokacijo ali bližnjo okolico
-za večino elektronskih vezij je potrebna pretvorba/stabilizacija napetosti na nižji nivo
Primer naprav:
-napajalniki
-laboratorijski napajalniki
b.)prenosno napajanje
Praktično vsi avtonomni roboti in naprave, ki delujejo odmaknjeno od napetostnih omrežij ali lokacij uporabljajo ta način (baterije, akumulatorji).
Dobre lastnosti:
-neodvisnost od lokacije
-manj oz. bolj predvidljive zunanje motnje
Slabe lastnosti:
-navadno višja cena izvedbe
-omejena kapaciteta
-potrebujemo sistem za polnjenje ali zamenjavo
-za stabilizacijo napetosti potrebujemo bolj zapleteno vezje
Primeri naprav/izdelkov:
-baterijsko napajanje
-regulatorji
2.Napetost, tok in moč
Za naše potrebe napajanja se bomo za razumevanje posvetili tem trem količinam in če se naslonimo na osnove elektrotehnike so definirane nekako tako:
a.)napetost (podajamo v enoti Volt, kratica je V)
Pri napajalniku je napetost osnova zaradi katere začne teči tok med dvema točkama. Osnovno navodilo, ki velja za večino vezij in naprav je, da se držimo specifikacije izdelovalca.
Pomembni so trije podatki:
-velikost napetosti: včasih je podana določeno npr.: 5V, včasih pa tudi v območju npr.: 3,3V-18V ali pa 100V-240V
-polariteta napetosti: enosmerna (DC) ali izmenična (AC)
Glede polaritete v glavnem ločimo zgornji dve vrsti napetosti, pri enosmerni sta priključka vedno enake polaritete-se pravi sponka minus(-) je vedno minus in enako velja tudi za sponko plus(+). Pri izmenični napetosti, ki jo pridobimo iz omrežja pa to ne drži in se polariteta sponk zamenja 50-krat v sekundi (če je omrežna frekvenca 50Hz).
Pri napajanju moramo paziti, saj bomo uničili večino vezij ali naprav, če jih bomo priključili na napačno vrsto napetosti. Večina nizkonapetostnih elektronskih vezij sicer potrebuje enosmerno napajanje, vendar pa to ni pravilo in nekatera vezja dejansko potrebujejo izmenično napetost za delovanje, ker se navezujejo na menjavo polaritete iz omrežja. V tem kontekstu je potrebno omeniti še pretvorbo iz izmenične v enosmerno napetost, kar naredimo najlažje z uporabo diode ali pa elementa (ki je sicer običajno vezje štirih ali več diod) in se imenuje usmerniški ali Graetzov mostič.
-stabilizacija napetosti
Za 99% elektronskih vezij velja, da jih je potrebno napajati z čimbolj stabilno napetostjo, kar pomeni, da se nam napetost v času čim manj odmika od želene vrednosti, ter je neobčutljiva na vse zunanje vzroke.
Boljša stabilizacija je običajno povezana z višjo ceno uporabljenega napajalnika in komponent, včasih pa je zelo težko izvedljiva tudi zaradi lastnosti vira napajanja (npr. potrebujemo 12V, akumulator ima napolnjen 13,8V prazen pa 10,8V). Če poenostavimo, želimo 5V na izhodu napajalnika in za stabilen napajalnik velja, da imamo tam 5,0V in ne enkrat 4,1V, drugič pa spet 5,9V.
Drug problem, ki se nam lahko pojavi v praksi so raznorazne motnje in signali (ki jih lahko generira naše vezje ali pa tudi okolica) in so prisotni na napajalni napetosti, ter lahko vplivajo na (ne-) delovanje naprave. Običajno so v ta namen po vezju razporejeni filtri, ki te signale odvajajo z napajalne napetosti (pri enosmernem napajanju običajno kondenzatorji), zato se je pri načrtih potrebno držati navodil in vključiti elemente, ki na prvi pogled nimajo prave funkcije.
b.)tok (podajamo v enoti Amper, kratica je A)
Dejanski učinek v vezju opravlja tok in naloga napajanja je, da priskrbi dovolj veliko količino toka pri določeni napetosti, da napajano vezje ali naprava lahko opravlja svojo funkcijo.
Za naše potrebe to pomeni, da če seštejemo predvideno porabo vseh elementov vezja, mora napajalnik zagotavljati vsaj takšen tok kot je poraba, v praksi pa moramo vedno upoštevati še rezervo.
Za primer: če bomo krmili dva motorja, ki lahko vlečeta vsak po 1A, ter upoštevamo še porabo krmilnega vezja (ki je običajno precej manjša od motorjev), bi bil z nekaj rezerve potreben napajalnik z predvidenim tokom 3A.
Če napajalnik tokovno preobremenimo se nam lahko zgodi, da:
-se pregreje in uniči
-regulacija napetosti začne delovati nepravilno in uničimo vezje
-aktivira se tokovna zaščita in vezje ne dobi toka
c.)moč (podajamo v enoti Watt, kratica je W)
Ker smo si zadeve v tem zapisu precej poenostavili, bomo za naše potrebe uporabili definicijo, da je moč enaka zmnožku napetosti in toka: P=U*I.
Če se vrnemo na prejšnji primer napajanje bo z napetostjo 5V, potrebujemo vsaj 3A toka, se pravi mora imeti napajalnik moč vsaj P=5V*3A=15W.
3.Sprememba/pretvorba napetosti
V dejanskih primerih imamo običajno na razpolago višjo ali nižjo napetost od tiste, ki je zahtevana ali jo potrebujemo za napajanje vezja, zato jo moramo ustrezno pretvoriti. Običajno je napetost lažje pretvarjati navzdol, kot obratno, vendar je možno v obe smeri, samo pravilno se je potrebno lotiti problema in upoštevati vse parametre.
Najpogostejši primer je pretvorba navzdol, iz omrežne napetosti 230V izmenično in tukaj je najbolj osnoven primer uporaba transformatorja in potem še usmernika, če potrebujemo enosmerno napetost. Novejša izvedba so stikalni usmerniki, ki imajo ponavadi širši napetostni razpon in običajno že tudi stabilizacijo napetosti.
Pretvorba napetosti navzgor je malo bolj kompleksen problem, v katerega se ne bomo poglabljali, saj imamo za naše potrebe na razpolago že narejena vezja, ki poskrbijo za to-npr.boost-regulatorji.
sprememba napetostnega nivoja
Kot smo že omenili višje se najpogosteje za spremembo napetostnega nivoja uporablja:
a.)transformator
Izhod iz transformatorja je izmenična napetost, ki jo potem običajno še usmerimo in reguliramo/stabiliziramo.
usmerjanje napetosti
Ker precejšnje število vezij zahteva enosmerno napetost za napajanje, jo iz izmenične pretvorimo z usmerniškimi vezji. Najbolj enostavna so narejena z diodo, večinoma pa se uporabljajo polnovalni usmerniki, ki so sestavljeni iz štirih diod in se imenujejo tudi usmerniški ali Graetzovi mostiči.
Rezultat usmerjanja z diodo prikazuje spodnji graf (primer diode):
Z usmerniškim mostičem dobimo polnovalno usmerjeno napetost-na spodnjem grafu (primer mostičev):
b.)stikalni pretvornik
Približno si lahko to ponazorimo z zgornjo slikico: ventil je naš stikalni element (lahko je samo do konca odprt ali zaprt), ki mora biti odprt ravno toliko časa, da nam vode za naš izhod(odtok) ne zmanjka in da ne gre čez zgornji rob. Ker nimamo vmesne stopnje, lahko to reguliramo samo s tem koliko časa imamo ventil naenkrat odprt, zato moramo odpiranje/zapiranje delati zelo pogosto, da držimo pravi nivo.
4.Stabilizacija napetosti
Zgornji primer pretvorbe višine napetosti z transformatorjem je zelo enostaven, vendar je primeren samo za napajanje enostavnih porabnikov, ne zadostuje pa zahtevam sodobnih vezij, ker se izhodna napetost preveč spreminja (valovitost).
Spodnja slika prikazuje namen, ki ga pričakujemo od regulatorja: rdeča je nestabilizirana in neregulirana napetost na vhodu regulatorja, izhod pa prikazuje desna stran.
Zaradi razlage smo malo preskočili še en postopek, ki se mora zgoditi v vezju za usmerjanjem napetosti, da dosežemo naš cilj in se imenuje glajenje. Za glajenje napetosti uporabimo kondenzator, ki shranjuje električni naboj ko ga je dovolj, ter ga oddaja ko je dovodna napetost prenizka.
Zgornji graf prikazuje kaj bi se zgodilo, če napetosti ne bi gladili s kondenzatorjem: ko bi bila napetost pod 5V, naše vezje sploh ne bi bilo napajano, ker bi se regulator avtomatsko izključil in bi bilo napajano samo za kratek trenutek, ko bi šla napetost nad 5V in preden pade pod 5V. Razlog je ta, da navaden regulator lahko deluje samo z višjo napetostjo(+nekaj rezerve) od želene na izhodu, ker nima svoje "zaloge" od kjer bi lahko črpal za manjkajoči čas.
Spodnji graf pa prikazuje primer napetosti z uporabo gladilnega kondenzatorja, ki "akumulira" el.naboj in ga odda v vezje, takrat ko dovodna napetost pade pod želeno mejo.
Regulatorjev oz. stabilizatorjev napetosti obstaja več vrst, od zelo enostavnih z Zener diodo, do kompleksnih stikalnih izvedb, vendar se bomo držali osnov in si pogledali najbolj razširjeno družino 78xx.
Zgornja slika prikazuje kompleten napajalnik, kot se uporablja v realnih aplikacijah, po stopnjah, ki smo si jih ogledali zgoraj in z uporabo regulatorja iz družine 78xx.
Ti regulatorji so namenjeni za vezja, ki imajo tokovno porabo do 1A (nekatere izvedbe tudi več), odlikuje pa jih predvsem preprosta uporaba in velika izbira izhodnih napetosti (nekaj standardnih vrednosti si oglejte tukaj).
Lahko ga uporabimo kjerkoli, tako za stabilizacijo, kot regulacijo napetosti, paziti moramo samo na to, da je vhodna napetost ustrezno višja od želene izhodne, ter da ga tokovno ne preobremenimo. Če se bomo pri uporabi približali mejnim vrednostim, mu moramo obvezno namestiti hladilnik.
5.Napajanje z različnimi napetostmi
Nekatera vezja zahtevajo dvojna napajanja ali pa je to potrebno zaradi drugih razlogov in to običajno rešujemo z dvema (ali večimi) regulatorji, napajalniki in še na kakšen način, glavna zadeva, ki jo moramo tukaj omeniti pa je njihovo kombiniranje.
Primer: napajanje krmilnika motorjev
Posebnost krmilnika motorja je, da potrebuje dvojno napajanje in sicer za krmilno logiko in pa za močnostni del (ki dejansko napaja motor). Najpomembnejša zadeva je da točno poznamo funkcijo posameznih napajalnih priključkov (kar običajno pomeni, da preberimo navodila) ali že sam krmilnik vsebuje regulator napetosti in predvsem katere točke lahko zvežemo skupaj in česar ne (pozorni moramo biti na priključke GND-včasih jih lahko povežemo, včasih jih moramo, drugič pa pod nobenim pogojem).
Ni komentarjev:
Novi komentarji niso dovoljeni.