6. Źródło napięciowe
Wobec wątpliwości Szanownych Czytelników zaczniemy od definicji: żródło napięciowe - to taki idealny, nieistniejący element, który dostarcza stałego napięcia niezależnie od natężenia prądu, który wypływa ze źródła do odbiorników.
Idealne źródła napięciowe nie istnieją. W praktyce źródłem napięciowym nazywamy coś, co w ustalonym, użytkowym zakresie natężenia prądu utrzymuje w miarę stałe napięcie. "W miarę stałe" ma różne znaczenia, w zależności od zastosowania. Dla naszych potrzeb możemy przyjąć, że "w miarę stałe" oznacza "wahające się nie więcej niż o kilka procent". Źródłami napięciowymi są wszelkie zasilacze sieciowe oraz baterie i akumulatory używane w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym. Jako ciekawostkę można podać, że bateryjki litowe (pastylki) zachowują własności źródła napięciowego tylko dla natężeń do ok. 1 mA, powyżej tej granicy nie utrzymują stałego napięcia.
Do czego przyda nam się źródło napięciowe w modelu? W zasadzie do dwóch celów:
- zasilania żarówek
- zasilania prymitywnych źródeł prądowych służących do zasilania LED, zwłaszcza, gdy mamy ich dużo w kilku obwodach.
Przy jednym lub dwóch obwodach LED albo gdy chcemy zrobić zasilanie LED naprawdę porządnie, możemy pominąć rozdział o źródłach napięciowych i zabrać się od razu za źródła prądowe.
Zasilacz "analogowy" jest dość paskudnym źródłem napięciowym, bo jego napięcie wyjściowe zmienia się w bardzo szerokich granicach (0..14V). Nieco lepiej, lecz też nie idealnie, wygląda wyjście funkcyjne dekodera DCC - 12..15V, chociaż norma dopuszcza i ponad 20V.
Jeśli zabieramy się za budowę źródła napięciowego w modelu, to zapewne z tego powodu, że mamy odbiorniki, które chcemy zasilić niskim napięciem, rzędu 1.5..6V.
Istnieje co najmniej kilka sposobów na budowę źródła napięciowego, które zasilane napięciem od x do 20V da nam na wyjściu stałe napięcie ze wspomnianego wyżej zakresu. Tutaj pokażemy tylko jeden najprostszy sposób i tylko dwa konkretne rozwiązania, bazujące na najtańszych i najłatwiej dostępnych elementach. Mowa o tzw. liniowym stabilizatorze napięcia, czyli układzie składającym się z tranzystora regulacyjnego i czegoś, co tym tranzystorem steruje. Tranzystor regulacyjny działa z grubsza tak, jak automatycznie regulowany rezystor, na którym wytracana jest różnica pomiędzy zmieniającym się napięciem wejściowym i stałym napięciem wyjściowym.
Stabilizator liniowy możemy zbudować z kilku elementów dyskretnych, jednak w pierwszej dekadzie XXI wieku łatwiej będzie użyć w tym celu gotowego układu scalonego. Układów takich są tysiące, przyjrzyjmy się więc tylko kilku najbardziej popularnym.
Układy serii 78xx są przeznaczone głównie do budowy prostych stabilizatorów o jednym z kilku ustalonych napięć wyjściowych. Dwie ostatnie cyfry w oznaczeniu określają napięcie wyjściowe, np. układy serii 7805 dają na wyjściu 5V, a 7806 - 6V. Za członem "78" może jeszcze występować litera, określająca maksymalną wydajność prądową i przy okazji typ obudowy. Brak litery - to 1A i obudowa TO-220, spora i dobrze odprowadzająca ciepło. Litera M - to 0,5A, obudowa DPAK, mniejsza ale podobna w kształcie do TO-220; litera L oznacza wersję 0.1A, występującą w dwóch obudowach. Do modeli wystarcza na ogół 0.1A czyli 100 mA, ale obudowy wersji L okrutnie się grzeją, dlatego o ile tylko mamy miejsce, powinniśmy użyć wersji M lub bez litery.
Układy 78xx mają trzy wyprowadzenia - wejście dodatniego napięcia zasilania, wyjście napięcia stabilizowanego oraz wspólną końcówkę bieguna ujemnego, połączoną również z metalową częścią obudowy służącą do odprowadzania ciepła.
Podłączenie 78xx jest bardzo proste (patrz schemat). Dobrze jest wyposażyć układ w dwa kondensatory jak na schemacie poniżej, chociaż akurat w zastosowaniach "kolejowych" bez nich też będzie działał.
Zalety 78xx - to bardzo niska cena - rzędu 1 zł, szeroki zakres napięć wejściowych - do 37V, czyli o wiele więcej, niż możemy spotkać na makiecie oraz odporność na nietypowe sytuacje (za wyjątkiem odwrotnego podłączenia +/- - wtedy odparowuje). Główną wadą jest to, że minimalny spadek napięcia niezbędnby do poprawnej pracy układu wynosi około 2V, co oznacza, że w celu uzyskania na wyjściu 5V musimy mieć na wejściu co najmniej 7V. Ta niemiła cecha nieco ogranicza zastosowanie układu przy sterowaniu "analogowym".
Jeśli zależy nam na tym, by nasze światła świeciły poprawnie już przy niskim napięciu zasilania - powinniśmy użyć nieco innego układu, tzw. stabilizatora o małym spadku napięcia, oznaczanego angielskim skrótem LDO. Istnieje wiele układów stabilizatorów LDO podobnych do 78xx - również z trzema końcówkami i analogicznie podłączanych. Ich zaleta w stosunku do 78xx jest oczywista, powinniśmy jednak pamiętać również o wadach, w tym:
- małej odporności na nietypowe sytuacje ("wysysanie" prądu z przodu stabilizatora)
- ograniczonym zakresie napięć wejściowych (musimy wybrać układ z dopuszczalnym napięciem min. 20V)
- wyższej cenie i gorszej dostępności
- niekiedy wyższym poborze prądu przez sam układ stabilizatora.
Odpowiednio ostrzeżeni udajemy się do sklepu elektronicznego i zamiast 78xx nabywamy np. układ typu LP2950 (z odpowiednią końcówką oznaczenia oznaczającą napięcie wyjściowe, np. -5.0) lub podobny - reszta pozostaje bez zmian.
Jeżeli nie możemy znaleźć gotowego układu stabilizatora o potrzebnym napięciu wyjściowym, używamy podobnego układu, w którym napięcie wyjściowe jest ustawianie przez użytkownika za pomocą dwóch rezystorów. (W zasadzie taką samą sztuczkę możemy zastosować w celu uzyskania napięcia np. 7 V ze stabilizatora "oficjalnie" nieregulowanego na 5V). Podobnie jak w przypadku stabilizatorów nieregulowanych, mamy tu całe mnóstwo układów, zarówno o wysokich spadkach napięć jak i LDO. Tutaj weźmiemy na warsztat jeden układ, który w porównaniu z innymi ma tę ciekawą własność, że można go równie łatwo użyć jako źródła napięciowego, jak i prądowego, o czym będzie mowa w następnym odcinku. Układ ten - to LM317, który, podobnie jak 78xx ma tylko trzy końcówki i występuje w kilku różnych obudowach. Używając LM317 możemy skonstruować stabilizator o napięciu wyjściowym od 1.2 V do przynajmniej 20 V. Napięcie wyjściowe ustalamy przy użyciu dwóch rezystorów. Producent sugeruje, by jeden z nich miał wartość 240 Ohm. Wartość drugiego dobieramy korzystając z przybliżonego wzoru:
R2 = 240 *(Uwy/1.25 - 1)
Wartość z wzoru uzyskujemy w Ohmach.
Podobnie jak w przypadku 78xx wypada użyć dwóch kondensatorów. Jeśli jednak je pominiemy - w naszym zastosowaniu tragedii nie będzie.
Dokładne opisy wymienionych układów wraz z przykładami ich zastosowania możemy znaleźć u ich producentów, np.
National Semiconductor.
Do zapamiętania:
- ze źródła napięciowego nie zasilamy bezpośrednio diod świecących
- zanim złożymy układ musimy oszacować wydzielaną moc i zastanowić się nad odprowadzaniem ciepła (jeszcze o tym napiszę)
- każdy z opisanych układów jest wrażliwy na odwrotne podłączenie napięcia wejściowego.
cdn.