Osla7.qxd

Czy na moc nie ma

mocnych?

Wiesz, że moc obliczamy jako iloczyn napięcia
i natężenia prądu.

ponieważ według prawa Ohma , oraz,

, więc

Często korzystamy z ich przekształconych form:

To są bardzo pożyteczne wzory. Zapamiętaj je,
a jeśli masz trudności, zapisz i umieść w dobrym
miejscu.

Dioda Zenera

Rysunek  obok  poka−
zuje symbol tak zwa−
nej  diody  Zenera.
Fotografia  przedsta−
wia  kilka  diod  stare−
go  i nowego  typu.
Diody  Zenera,  na−
zwane  swojsko  przez  jednych  „zenerami”,
przez innych „zenerkami”, wykorzystywane
są do stabilizacji napięcia oraz do ogranicza−
nia zbyt dużych napięć.

Koniecznie musisz zapamiętać, że dioda

Zenera włączana jest w układ niejako od−
wrotnie, czyli w kierunku zaporowym.
W kierunku przewodzenia zachowuje się jak
zwykła dioda krzemowa.

Najważniejszym parametrami diody Ze−

nera są napięcie nominalne oraz dopuszczal−
na  moc  strat.  Jeśli  napięcie  zaporowe  jest
mniejsze  od  napięcia  nominalnego  diody,
prąd przez nią nie płynie. Próba zwiększenia
napięcia  na  diodzie  powyżej  napięcia  nomi−
nalnego spowoduje gwałtowny wzrost prądu.
Najprościej  biorąc,  dioda  nie  dopuści  do
wzrostu  napięcia  i przejmie  na  siebie  cały
prąd.

Prąd przepływający przez diodę powodu−

je powstawanie ciepła, i to jest istotny czyn−
nik ograniczający. Moc strat diody to iloczyn
napięcia na diodzie i prądu (P=U*I).

Mniej istotne dla początkującego hobby−

sty są inne parametry, jak współczynnik
zmian napięcia Zenera pod wpływem tempe−
ratury czy współczynnik zmian tegoż napię−
cia pod wpływem zmian prądu (tak zwana re−
zystancja dynamiczna).

Najpopularniejsze diody Zenera mają na−

pięcia nominalne od 3,3 do 33V, a nawet do
150V i moce od 0,2W...5W.

Diody Zenera oznacza się w charaktery−

styczny sposób. Na przykład C4V7 oznacza
diodę Zenera o napięciu 4,7V. C12V oznacza
diodę Zenera 12−woltową. Litera Coznacza
tolerancję napięcia.

Dawniej diody Zenera wykorzystywano

jako źródła napięcia wzorcowego.

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Zestaw teraz układ według rysunku 11
i fotografii  7.  Przed  włączeniem  zasi−
lacza sprawdź dokładnie, czy prawidło−
wo  włączone  są  grożące  wybuchem
„elektrolity”  C1,  C2.  Jasność  diody
LED  wskazuje,  że  napięcie  jest  więk−
sze  niż  w poprzednich  układach  pro−
stowniczych  (rysunki  5,  9d).  Zmierz
napięcie na wyjściu (między punktami
C,  D).  Jest  prawie  dwa  razy  większe
niż poprzednio i prawie trzy razy więk−
sze od napięcia zmiennego transforma−
tora  (u mnie  było  36,2V).  Rezystor
1k

Ω jest bardzo gorący, bo wydziela

się w nim moc ponad 1W − kilkakrotnie
więcej, niż wynosi jego moc nominalna

Zbudowaliśmy tak zwany podwajacz

napięcia. Jestem przekonany, że nie masz
wątpliwości, jak działa – w zasadzie są to
dwa prostowniki jednopołówkowe z ćwi−
czeń 2 i 3; porównaj też rysunek 8.

Nie ciesz się jednak, że napięcie jest

wysokie. Nic za darmo! Z takiego ukła−
du można pobrać jedynie niewielki prąd.
W układach  omówionych  masz  do  wy−
boru:  albo  duże  napięcie  i mały  prąd
(podwajacze  i powielacze  napięcia),  al−
bo  mniejsze  napięcie  i większy  prąd
(układ  mostkowy).  W grę  wchodzi  tu
kilka  czynników;  najważniejszym  jest
moc transformatora. Słusznie się domy−
ślasz, że gdyby transformator miał więk−
sze  wymiary,  byłby  w stanie  oddać
większą moc. Próba „wyciśnięcia” z ma−
łego  transformatora  mocy  większej  niż
nominalna  zakończy  się  przegrzaniem
uzwojeń i spaleniem izolacji. Nie próbuj
czegoś takiego!

Informacje dotyczące zestawu EdW−04 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronie 120

Ćwiczenie 7

Podwajacz napięcia

Fot. 7

Rys. 11

Fot. 6

Ośla łączka

∗

(

)

∗













∗

P*R

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Zestaw układ według rysunku 12a i fo−
tografii 8. Diody niezbyt silnie, ale jed−
nak świecą. Jeśli chcesz, zwiększ pojem−
ność, dodając dwa kondensatory według
rysunku  12b i fotografii  9.  Nie  pomyl
się  przy  łączeniu  kondensatorów  elek−
trolitycznych  –  mają  być  połączone
w szereg,  przeciwsobnie.  Jak  zmieniła
się jasność LED−ów?

Okazuje się, że przy prądzie zmiennym

kondensator zachowuje się jak rezystor.
Płynie przezeń prąd. Dlaczego?

Jeśli masz wątpliwości, odłącz jedną

z diod LED. Druga nie będzie świecić.
Dlaczego?

Zapamiętaj raz na zawsze, że prze−

pływ  prądu  w kondensatorze  polega  to
na  cyklicznym  ładowaniu  i rozładowa−
niu  (przypomnij  sobie  eksperymenty

z wyprawy  drugiej  –  A2).  W układzie
z rysunku  12  odbywa  się  to  z częstotli−
wością sieci (50Hz). Gdy usuniesz jedną
diodę,  kondensator  naładuje  się,  ale  nie
będzie się mógł rozładować.

Choć kondensator wcale nie stał się

rezystorem i nadal nie może przezeń pły−
nąć prąd stały, dla prądu zmiennego
przedstawia jakąś oporność. Nazywamy

ją opornością pozorną
kondensatora, inaczej re−
aktancją pojemnościową.

Jeśli ten przepływ prądu

i ta  pozorna  oporność  to
wynik  cyklicznego  ładowa−
nia i rozładowywania,  nie−
trudno się domyślić, że przy
częstszych  zmianach  prąd

byłby większy. A jeśli prąd byłby więk−
szy, to pozorna oporność – mniejsza.
Wynika z tego, że oporność pozorna (re−
aktancja) kondensatora maleje ze wzro−
stem częstotliwości. Choć nie będziemy
tego sprawdzać eksperymentalnie, zapo−
znaj się z informacjami na ten temat za−
wartymi w TECHNIKALIACH.

Po co komu przekładnia?

Typowy transformator składa się z dwóch uzwojeń,
zawierających określoną liczbę zwojów. Jeśli jedno

z uzwojeń zostanie dołączone do źródła sinusoidal−
nego napięcia zmiennego, na drugim uzwojeniu po−
jawi się przebieg sinusoidalny o napięciu...

Zapamiętaj, że o wartości napięcia wyjś−

ciowego  decyduje  stosunek  liczby  zwojów  uzwo−
jeń  pierwotnego  i wtórnego.  Stosunek  ten  to  tak
zwana przekładnia transformatora. Występującą
tu  prostą  zależność  ilustruje  rysunek  F.

Obecnie rzadko pełnią tę rolę, bo zostały

wyparte przez znacznie dokładniejsze spe−
cjalne układy. Warto jednak wiedzieć, że do
dziś w ofertach firm handlowych można zna−
leźć diody Zenera o bardzo dobrej stabilności
cieplnej – ich napięcie zmienia się tylko
o 0,0005% przy zmianie temperatury o jeden
stopień Celsjusza. Co ciekawe, zawsze są to
diody o napięciu nominalnym 6,2V.

Jeśli nie jest potrzebna precyzja ani dokład−

ność, a potrzebne jest małe napięcie stabilizo−
wane, często zamiast diod Zenera używamy
diod LED, włączonych normalnie, w kierunku
przewodzenia – napięcie wynosi wtedy
1,6...2,2V, zależnie od typu diody i prądu pracy.

Inne diody

Oprócz  „zwykłych”  diod  prostowniczych,
diod LED i diod laserowych, występuje wiele
innych  rodzajów  diod.  Produkowane  są  na
przykład  diody  pełniące  rolę  kondensatorów
(1...300pF), gdzie pojemność zależy od napię−
cia (wstecznego). Stosowane są one powszech−
nie w układach radiowych i telewizyjnych.

W literaturze napotkasz też określenia:

diody Gunna, diody PIN, diody IMPATT, dio−
dy tunelowe czy diody waraktorowe. Są one
stosowane w układach bardzo wielkiej czę−
stotliwości, a amatorzy ich nie wykorzystują.

Natomiast diody lawinowe (avalanche

diode) nie są oddzielnym rodzajem diod.
Najprościej biorąc, są to zwykłe diody, które
trudniej uszkodzić – niektóre „zwykłe” diody
prostownicze są diodami, gdzie zachodzi
tzw. zjawisko lawinowe.

Układ scalony

Postęp  techniki  umożliwia  umieszczenie  na
maleńkim płatku krzemu wielu tranzystorów,
rezystorów, diod, a nawet małych kondensa−
torów. Powstaje wtedy układ scalony. Układ
scalony nie jest połączeniem miniaturowych
wersji znanych Ci rezystorów i tranzystorów.
Wyglądają  one  zupełnie  inaczej.  Wszystkie
składowe  układu  scalonego  są  wykonywane
w jednym cienkim płatku krzemu, a właści−
wie w cienkiej warstwie z jednej strony płyt−
ki  krzemowej.  Wytwarza  się  te  niewątpliwe
cuda techniki w skomplikowanych procesach
technologicznych.

Czy wiesz, że...

mówimy o oporności pozornej,

czyli reaktancji kondensatora dla prze−

biegów zmiennych, ale określenie „rezy−

stancja pozorna” jest nieprawidłowe.

Nigdy tak nie mówimy.

Rys. 12

Fot. 8

Fot. 9

Rys. F

Czy wiesz, że...

Określenia: uzwojenie pierwotne

i uzwojenie wtórne są umowne. Wskazują

tylko kierunek przekazywania energii: z obwo−

du pierwotnego do wtórnego. Transforma−

tor może równie dobrze pracować

„w druga stronę”.

Ćwiczenie 8

Kondensator a prąd zmienny

Ośla łączka

TECHNIKALIA

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Zmierz  omomierzem  rezystancję  uzwo−
jenia  pierwotnego  transformatora  uży−
wanego  zasilacza  AC  12/300.  Nie  mu−
sisz otwierać obudowy, zmierz rezystan−
cję między bolcami według rysunku 13.
Rezystancja mojego egzemplarza wyno−
si  964

Ω. Uzwojenie to jest dołączone

wprost do sieci energetycznej o napięciu
220V.  Policzmy!  Zgodnie  z prawem
Ohma  przez  uzwojenie  popłynie  prąd
o wartości  220V/964

Ω = 0,23A. Prąd

0,23A przy  napięciu  220V oznacza,  że
chodzi  o moc  50W.  Moc  50W to  dość
duża  moc  –  zauważ,  jak  grzeje  się  ża−
rówka o mocy 60W czy nawet 40W.

Coś tu nie gra! W naszym małym za−

silaczu  na  pewno  nie  wydziela  się  50
watów  mocy.  Nie  sprawdzaj  tego,  wy−
starczy,  że  ja  sprawdziłem  –  bez  obcią−

żenia transformator zasilacza AC12/300
pobiera z

sieci jedynie 12,6mA

(0,0126A).

Gdzie tkwi błąd? Czy przy prądzie

zmiennym prawo Ohma nie obowiązuje?

Problem jest ciekawy i ważny.
Prawo Ohma przy prądzie zmiennym

obowiązuje. Prąd jest jednak mały, a to
znaczy, że dla prądu zmiennego uzwoje−
nie transformatora przedstawia duży

opór. Rezystancja rzeczywiście wynosi
964

Ω, ale pamiętaj, że rezystancja to

opór  mierzony  przy  prądzie  stałym.
Uzwojenie  transformatora  jest  przecież
rodzajem cewki i jak każda cewka ma ja−
kąś indukcyjność. Okazuje się, że induk−
cyjność  dla  prądu  zmiennego  stanowi
dodatkowy  opór.  Analogicznie,  jak
w przypadku kondensatorów nazywamy
go opornością pozorną cewki, a ściślej
reaktancją indukcyjną. Nie daj się zmy−
lić  określeniu  „pozorna”,  pokutującemu
do  dziś  ze  względów  historycznych.  Ta
oporność, reaktancja indukcyjna, istnieje
naprawdę  i właśnie  ona  powoduje,  że
prąd  pobierany  z sieci  jest  znikomy.  To
jeszcze  nie  koniec  tematu,  ale  na  razie
nie będę Ci mieszał w głowie zagadnie−
niem mocy przy prądzie zmiennym.

Zestaw układ według rysunku 14a
i zmierz napięcie przewodzenia (U

) na

diodzie Zenera. Jest takie, jak w zwykłej
diodzie krzemowej.

Jeśli jednak włączysz diodę Zenera

„odwrotnie”, według rysunku 14b, cze−
ka Cię niespodzianka. Kontrolka LED
zaświeci, czyli w obwodzie popłynie
prąd. Jeśli masz woltomierz napięcia sta−
łego, zmierz napięcie na diodzie (napię−
cie wsteczne – U

). Wynosi tyle, co na−

pięcie nominalne tej diody, z 10% tole−
rancją. W zestawie elementów do tej
wyprawy znajdziesz diodę Zenera 5,6V.

Zmieniaj teraz wartość R1. Zastosuj

wartości 220

Ω i 10kΩ. Jasność diody

LED  wskazuje,  że  prąd  zmienia  się
w bardzo szerokich granicach. A napię−
cie na diodzie Zenera? Zmierz je wolto−
mierzem  i przekonaj  się,  że  przy  50−
krotnej, czyli 5000−procentowej zmianie
prądu,  zmienia  się  ono  o drobne  kilka

procent. Podczas testów modelu pokaza−
nego na fotografii 10, bez diody LED,
z diodą Zenera o napięciu 5,1V (C5V1)
uzyskałem wyniki pokazane w tabeli.

Uwe

Uwy (U

)

220

Ω

17,1V

5,27V

Ω

18,6V

5,15V

10k

Ω

19,3V

5,02V

Oczywiście są to napięcia transformatora nieob−
ciążonego (w stanie jałowym) – nie uwzględnia−
my tu spadków napięć na rezystancjach pod
wpływem prądu.

W przypadku transformatorów sieciowych

przekładnia nas praktycznie nie interesuje. Nie in−
teresuje  nas  też  liczba  zwojów  (która  wynika
z właściwości  rdzenia,  a nie  z napięć).  Napięcie
wejściowe  to  napięcie  sieci  energetycznej,  wyno−
szące  około  220...230V.  W katalogu  szukamy  nie
przekładni, tylko wartości napięcia wyjściowego.

Tylko bez oszukaństwa

W elektronice wszystko działa zgodnie ze ścisłymi
prawami fizyki. Już wiesz, że o napięciu wyjścio−
wym transformatora decydują liczby zwojów,
a właściwie ich stosunek. A co z prądami i z mocą?

Idealny transformator w stanie jałowym (nie

obciążony) nie powinien pobierać z sieci prądu.
W rzeczywistości pobiera jakiś niewielki prąd. Po
dołączeniu obciążenia, w idealnym przypadku,

Ćwiczenie 9

Cewka a prąd zmienny

Ćwiczenie 10

Dioda Zenera

Rys. 13

Rys. 14

Czy wiesz, że...

Nazwa „dioda Zenera” pocho−

dzi od nazwiska jej wynalazcy, a na−

zwiska, jak wiadomo, piszemy

wielką literą.

Rys. G

Rys. H

Ośla łączka

Ty sprawdź napięcie U

w układzie

z diodą LED według rysunku 14b. Jeśli
chcesz, sprawdź dodatkowo, o ile
zmieni się napięcie przy zmianach tem−
peratury diody. Ogrzewaj diodę suszar−
ką do włosów albo delikatnie lutowni−

cą. Przekonasz się, że zmiany napięcia
pod wpływem zmian temperatury są
niewielkie.

Słusznie więc dioda Zenera nazywana

jest diodą stabilizacyjną lub krótko
stabilizatorem.

TECHNIKALIA

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Proste

zasilacze

niestabilizowane,

omówione  w ćwiczeniu  4,  są  niedosko−
nałe − napięcie zmniejsza się pod wpły−
wem  obciążenia  i występują  w nim  tęt−
nienia.  Aby  usunąć  te  wady,  dodaje  się
układy stabilizujące napięcie wyjściowe.

Na rysunku 15 znajdziesz schemat

najprostszego stabilizatora, gdzie elemen−
tem stabilizującym napięcie jest dioda Ze−
nera. Zwróć uwagę, że dioda Zenera jest
włączona w typowy dla niej sposób, czy−
li... odwrotnie niż inne diody. Na margine−
sie dodam, że właśnie ze względu na taki
tryb  pracy,  niektórzy  amatorzy  stwarzają
zamieszanie,  używając  nieprecyzyjnych
określeń  „plus  diody”  i „minus  diody”.
Zamiast  nich  należy  używać  określeń:
anoda, katoda, a wtedy nie będzie proble−
mu.  Trzeba  tylko  pamiętać,  że  podczas
normalnej  pracy  w diodach  Zenera  bar−
dziej dodatnie napięcie występuje na kato−

dzie, odwrotnie niż w innych diodach.

Ze stabilizatora o schemacie z rysunku

15 nie można pobrać dużego prądu – ogra−
niczeniem  jest  rezystancja  R1.  Wystarczy
jednak  dodać  tranzystor(y)  według rysun−
ku 16a lub 16b, a wydajność prądowa bę−
dzie  większa.  Napięcie  wyjściowe  jest
o około 0,6V mniejsze, niż napięcie na dio−
dzie  Zenera.  Dawniej  stabilizatory  o sche−
macie  z rysunku  15a wykorzystywano
w praktyce, ale dziś mamy nieporównanie
lepsze rozwiązania. Fotografia 11 pokazu−
je model, zmontowany prowizorycznie we−
dług rysunku 15b z diodą C5V1. Bez obcią−
żenia  napięcie  wyjściowe  wynosiło  4,9V.
Z obciążeniem  10k

Ω (0,5mA) − 4,74V,

z obciążeniem 220

Ω (20mA) – 4,64V, z ob−

ciążeniem 10

Ω (450mA) – 4,5V.

moc pierwotna pobierana z sieci powinna być do−
kładnie równa mocy wtórnej, oddawanej do obcią−
żenia. Ilustruje to rysunek G. Możemy zapisać

Pwe = Pwy
Uwe*Iwe=Uwy*Iwy
A jaka konkretnie jest jedna i druga moc?
To zależy od obciążenia. Obciążenie decyduje

o tym, jaka moc jest pobierana z sieci. Przy braku
obciążenia moc pobierana z sieci powinna być
równa zeru.

Teraz chodzi nam jednak o coś innego. Jak

wiesz, w transformatorze występują straty. Po−
wodem są głównie rezystancja uzwojeń oraz tak
zwane straty w rdzeniu. W rezultacie moc pobie−

rana (z sieci) jest zawsze trochę większa od mo−
cy oddawanej do obciążenia. Część mocy jest
tracona w transformatorze, oczywiście w postaci
ciepła.

Jakiego rzędu są to straty? Możesz przyjąć w

przybliżeniu,  że  traci  się  około  10...15%  mocy.
Zwykle  zamiast  podawać  ile  tracimy,  podajemy
jaki  procent  mocy  przechodzi  do  obciążenia.
Oczywiście jest to stosunek mocy wyjściowej do
wejściowej, Nazywamy go sprawnością, wyraża−
my w procentach i zwykle oznaczamy małą grec−
ką literką eta (

η − eta).

η = Pwy/Pwe
Ilustruje to rysunek H.

Tranzystor zamiast

grzejnika?

Dopuszczalna moc strat tranzystora jest zawsze dużo
mniejsza od iloczynu maksymalnego prądu kolektora
i maksymalnego napięcia kolektor−emiter. Przykłado−
wo popularne tranzystory BC548, BC558 mają dopu−
szczalną moc strat równą 500mW (0,5W). Taka moc
wydzieli się na przykład wtedy, gdy napięcie kolektor−
emiter wynosi 15V, a prąd kolektora wynosi 33mA.

Zwróć uwagę, że dopuszczalny prąd kolektora

tych tranzystorów wynosi 100mA, a maksymalne
napięcie U

CE0

wynosi 30V (ich iloczyn to

30V*0,1A=3W).

Fotografia  poniżej  pokazuje  kilka  układów
scalonych, głównie stabilizatorów. Podstawo−
wym „budulcem” układów scalonych są wła−
śnie  tranzystory  (bipolarne  lub  MOSFET−y).
Układ  scalony  może  też  zawierać  diody,  re−
zystory, niewielkie kondensatory, ale w mia−
rę  możliwości  elementy  te  są  zastępowane
tranzystorami.  Praktycznie  niemożliwe  jest
wykonanie scalonych cewek (chyba że o zni−
komo małej indukcyjności).

Rys. 15

Ćwiczenie 11

Zasilacz stabilizowany

Fot. 10

Fot. 7

Ośla łączka

ELEMENT

arz

LEMENT

arz

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Na rysunku 17 znajdziesz schemat sta−
bilizatora,  powszechnie  stosowanego
w praktyce.  Taką  budowę  ma  zasilacz
stabilizowany,  którego  używaliśmy  na
poprzednich  wyprawach.  W zestawie

elementów  do  tej  wyprawy  (A04)  znaj−
dziesz  element  oznaczony  7805.  Jest  to
tak  zwany  układ  scalony  –  zawiera
w środku kilkadziesiąt tranzystorów i re−
zystorów  −  kompletny  stabilizator.

Jeśli tranzystor pracuje jako przełącznik, nawet

przy prądzie i napięciu maksymalnym moc strat jest
mała. Przykładowo w pierwszym układzie z rysun−
ku  J w stanie  otwarcia  tranzystora  wydziela  się
w nim  mniej  niż  100mW.  Prąd  wynosi  wprawdzie
100mA, ale napięcie w pełni otwartego (nasycone−
go)  tranzystora  jest  mniejsze  niż  1V.  Oczywiście
w

rezystorze wydziela się aż 3W

mocy

(100mA*30V). W stanie zatkania ani w tranzysto−
rze, ani w rezystorze nie wydziela się moc, bo prąd
kolektora jest równy zeru.

Tranzystory mocy w obudowach TO−220 mają

moc strat nawet do 125W (!), ale wszystko zależy

od zastosowanego radiatora. Bez radiatora tranzy−
stor mocy w tej popularnej obudowie TO−220 mo−
że rozproszyć tylko 1,5...2W mocy.

Straty mocy występują także na diodach, o czym

armatorzy  często  zapominają.  W zwykłej  diodzie
krzemowej napięcie przewodzenia wynosi przy ma−
łych prądach 0,6V, ale przy większych 0,8V czy na−
wet  1V.  Oznacza  to,  że  przy  prądzie  3A na  takiej
zwykłej  diodzie  wydzieli  się  w postaci  ciepła  moc
około 2,4...3W, co spowoduje silne grzanie.

Lepiej jest z diodą Schottky’ego, w której

przy tym samym prądzie będzie się wydzielać co
najwyżej 1,5W mocy strat.

Moc strat jest ściśle związana

z temperaturą. W sumie chodzi o to,
by nie przekroczyć temperatury około
+150

C, bo w wyższych temperatu−

rach radykalnie rośnie ryzyko uszko−
dzenia struktury półprzewodnikowej.

Przy opisywaniu zależności ciepl−

nych w elementach elektronicznych
posługujemy się parametrem zwanym
rezystancją termiczną, wyrażanym
w stopniach Celsjusza na wat (

C/W)

lub w kelwinach na wat (K/W) i ozna−
czaną Rthja. Rezystancja termiczna
wskazuje, na ile skutecznie ciepło jest
odprowadzane z półprzewodnikowej

struktury  do  otoczenia.  Oczywiście,  czym  mniej−
sza  ta  rezystancja,  tym  lepiej,  bo  w elemencie
można  wydzielić  więcej  mocy  strat  bez  ryzyka
przegrzania.  Przykładowo  rezystancja  termiczna
tranzystora BC548(558) wynosi 250K/W, podob−
ny z wyglądu tranzystor BC328(338) ma rezystan−
cję  termiczną  200K/W,  a tranzystor  mocy  (TO−
220)  bez  radiatora  −  około  60K/W.  W przypadku
tranzystorów  mocy  interesuje  nas  też  rezystancja
termiczna  między  złączem  a obudową.  Oznacza
się  ją  Rthjc;  dla  tranzystorów  w obudowach  TO−
220  wynosi  1...1,5K/W.  Przy  obliczeniach  trzeba
dodać do niej rezystancję termiczną użytego radia−
tora. Ten temat wykracza jednak poza ramy Oślej
łączki i nie będziemy go rozwijać.

Reaktancja pojemnościowa

W trakcie poprzednich wypraw sprawdziliśmy, że
kondensator gromadzi energię elektryczną i często
w układach pełni rolę lokalnego, niewielkiego ma−
gazynku energii. To jeden z obszarów zastosowań
kondensatorów.

Budowa i symbol kondensatora wskazują, że ze

względu na obecność izolatora nie może przezeń pły−
nąć prąd stały. Teraz, podczas ćwiczenia 8 okazało
się, że przez kondensator może płynąć prąd zmienny.

Przy prądzie zmiennym kondensator zacho−

wuje się jak opornik o oporności zależnej od

Istnieje nieprzeliczone mnóstwo typów

i rodzajów układów scalonych, pełniących
najróżniejsze zadania w komputerach, telewizo−
rach, telefonach, itp. Właściwie cała współcze−
sna elektronika, w tym także elektronika kom−
puterowa, opiera się na układach scalonych.

Układ scalony nie ma ustalonego symbo−

lu. Na schematach stosuje się różne symbole,
zwykle w postaci małych prostokątów.

Stabilizatory używane w ćwiczeniach są

elementami stosunkowo prostymi, zawierają−
cymi  kilkadziesiąt  elementów.  Rysunek  na
poprzedniej  stronie  pokazuje  schemat  we−
wnętrzny układu LM317, a następny rysunek
pokazuje  w powiększeniu  rozmieszczenie
tych  elementów  na  płytce  krzemowej  (która
ma wymiary 2,38x2,13mm). W jednej płytce
krzemowej o powierzchni mniejszej niż cen−
tymetr kwadratowy można umieścić dziesiąt−
ki,  setki,  tysiące,  a nawet  miliony  tranzysto−
rów. Dwie długie, a wąskie fotografie na sa−
mym dole poprzedniej strony pokazują frag−
menty  struktury  układów  scalonych  firmy
National  Semiconductor.  Nieco  więcej  wia−
domości o układach scalonych podam Ci na
następnej wyprawie.

Ćwiczenie 12

Typowy zasilacz

stabilizowany

Czy wiesz, że...

Polski uczony, profesor Jan

Czochralski (1885−1953), na początku

XX wieku wynalazł metodę wytwarzania

czystych (mono)kryształów krzemu,

z których produkuje się układy

scalone.

Fot. 11

Rys. 16

Ośla łączka

Rys. J

Oprócz obwodów regulacji napięcia za−
wiera obwody dodatkowe, zabezpiecza−
jące  przed  uszkodzeniem  w przypadku
zwarcia  lub  nadmiernego  wzrostu  tem−
peratury.  Więcej  na  temat  układów  sca−
lonych  szukaj  w częściach  ELEMEN−
Tarz i TECHNIKALIA.

Według rysunku 17 zbudujesz naj−

prawdziwszy,  porządny  zasilacz  stabili−
zowany o napięciu wyjściowym 5V. Je−
śli kupisz w sklepie stabilizator oznaczo−
ny  7809,  możesz  zbudować  zasilacz
o napięciu  wyjściowym  9V,  z układem
7812  –  o napięciu  12V. Fotografia  12
przedstawia  prowizoryczny  model  ze
stabilizatorem  12−woltowym,  zbudowa−
ny w najprostszy sposób.

Koniecznie zbuduj układ według ry−

sunku  17,  będziesz  z niego  korzystać.
Zbadaj  też  jego  właściwości.  W zasila−
czu  z poprzedniego  ćwiczenia,  zbudo−
wanym z pojedynczych elementów (czę−
ściej  mówimy  –  z elementów  dyskret−
nych),  napięcie  wyjściowe  zauważalnie
malało  przy  wzroście  obciążenia.  A na−
pięcie  wyjściowe  zasilacza  z układem
scalonym 7805 przy dołączeniu rezysto−
rów 10k

Ω, 220Ω i 10Ω?

Możesz dołączyć do wyjścia brzę−

czyk piezo. Wyda czysty ton, bez śladu
terkotu.  Przekonasz  się,  że  napięcie
wyjściowe  jest  naprawdę  stabilne
i praktycznie  się  nie  zmienia.  Dopiero
przy dużym prądzie nieco się zmniejszy,
ale  nie  z winy  stabilizatora,  tylko  zbyt
małego transformatora.

TECHNIKALIA

częstotliwości − czym większa częstotliwość,
tym mniejsza oporność.

Ponieważ jednak nie chodzi o rezystancję,

oporność tę nazywa się reaktancją pojemnościo−
wą i oznacza nie literą R, tylko X

. Czasem może

spotkasz  też  określenie  oporność  bierna.  Ze
względów  historycznych  przy  takich  okazjach
używano też określenia oporność pozorna. Nie bę−
dziemy  używać  tego  określenia,  ponieważ  słowo
„pozorny” może wywołać mylne skojarzenia.

Reaktancję

pojemnościową

wyrażamy

w omach, bo jest to rodzaj oporności.

Nie są to „jakieś inne omy”, trzeba tylko pa−

miętać, że reaktancja to opór dla prądu przemien−

nego o jakiejś częstotliwości.

Reaktancji kondensatora nie można zmierzyć

omomierzem, ale znając pojemność można ją ła−
two obliczyć ze wzoru:

Zamiast za każdym razem obliczać wartość

wyrażenia 1/2

π, można ją obliczyć raz, uzyskując

wzór:

gdzie f częstotliwość w hercach, Cpojemność

w faradach, X

– reaktancja w omach.

Kondensatory wykazują także ciekawą i poży−

teczną właściwość: chwilowy prąd płynący przez
kondensator  (prąd  ładowania  lub  rozładowania)
jest ściśle związany z szybkością zmian napięcia
na jego końcówkach. Wykorzystywane to jest do
przeprowadzania  operacji  całkowania  i różnicz−
kowania  −  są  to  jednak  zagadnienia  dla  bardziej
zaawansowanych.

Reaktancja indukcyjna

Ćwiczenie  9  doprowadziło  nas  do  wniosku,  że
uzwojenie  cewki  (transformatora,  będącego
odmianą cewki) stawia prądowi zmiennemu dodat−
kowy  opór.  Jest  to  reaktancja  indukcyjna.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Źródła napięcia odniesienia

Ćwiczenie 15 zapoznaje z elementami, które
zachowują się jak dioda Zenera, ale znacznie
lepiej  stabilizują  napięcie.  Jak  wskazuje  na−
zwa,  dioda  Zenera  jest  stosunkowo  prostym
elementem.  Natomiast  podzespoły  oznaczo−
ne  LM385  i TL431  to  układy  scalone.  Stąd
ich znacznie lepsze właściwości.

Choć są to układy scalone, ze względu na

pełnioną  rolę  na  schematach  najczęściej
oznaczamy  je  symbolem  oznaczającym  dio−
dę  Zenera.  Powyższa  fotografia  pokazuje
kilka  układów  scalonych,  które  są  źródłami
napięcia wzorcowego (odniesienia).

Najważniejszym parametrem omawianych

układów  scalonych,  obok  napięcia  nominal−
nego,  jest  współczynnik  cieplny.  Informuje
on, na ile napięcie zmienia się pod wpływem
temperatury.  Powszechnie  dostępne  układy
LM385, TL431 czy LM336 mają współczyn−
nik  cieplny  w

granicach 100ppm/

(0,01%/

C). Oznacza to, że przy zmianie tem−

peratury otoczenia z +20

C do +30

C napięcie

zmieni się tylko o 0,1%, czyli na przykład
z 2,5000V na 2,5025V.

W szczególnie precyzyjnych układach

profesjonaliści  stosują  znacznie  droższe
źródła  napięcia  odniesienia  o rewelacyj−
nie  małym  współczynniku  cieplnym  rzę−
du 1...3ppm/

C. Tobie wystarczą popular−

ne i tanie układy o współczynniku
100ppm/

Ośla łączka

Rys. 17

Fot. 12

Fot. 10

W zestawie elementów A04 znajdziesz
też dwa bardzo interesujące elementy,
zachowujące się podobnie jak dioda
Zenera.

W układzie z rysunku 19 sprawdź na

ile zmienia się napięcie układu LM385−
2.5 przy zmianach prądu, czyli przy róż−
nych wartościach R1 (220

Ω, 1kΩ,

10k

Ω, 100kΩ).

I co? Rewelacja, prawda? Ja testowa−

łem układ LM385 1,2V pokazany na fo−
tografi 14 – przy zmianie rezystora
z 1k

Ω na 100kΩ prąd malał 100−krotnie,

a napięcie zmniejszało się jedynie
o 6mV.

Zbuduj też „diodę Zenera” o regulo−

wanym  napięciu  w oparciu  o układ
scalony TL431 według rysunku 20 i fo−
tografii  15.  Sprawdź,  w jakich  grani−
cach możesz regulować potencjometrem
„napięcie  Zenera”.  Pamiętaj,  że  do
poprawnej  pracy  prąd  „katody”  układu

TL431 nie może być mniejszy niż 1mA,
ani większy niż 100mA.

Sprawdź też koniecznie za pomocą

woltomierza cyfrowego i suszarki do

TECHNIKALIA

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

W ramach tego ćwiczenia zbudujesz zasilacz stabilizowany z regula−
cją napięcia wyjściowego. Wykorzystaj rysunek 18, pomocą będzie
też fotografia 13.

Tym razem wykorzystujemy inny bardzo popularny układ scalony

o oznaczeniu LM317. Ma on inną budowę wewnętrzną i inny rozkład
wyprowadzeń, niż układy rodziny 78XX. Pozwala dowolnie regulować
napięcie wyjściowe za pomocą dwóch rezystorów. My jeden z rezysto−
rów zastąpiliśmy potencjometrem, dzięki czemu możemy płynnie regu−
lować napięcie. Możesz śmiało wykorzystywać taki zasilacz w prakty−

ce.  Model  z fotogra−
fii  zmontowany  jest
w najprostszy  i nie−
zbyt praktyczny spo−
sób.  Jeśli  chcesz  go
wykorzystać,  zmon−
tuj  go  na  kawałku
płytki  uniwersalnej
lub  w solidnym  „pa−
jąku”, przy czym sta−
bilizator

wyposaż

w niewielki blaszany
radiator.

Oznaczamy  ją  XL.  Dla  prądu  stałego,  o którym
można  powiedzieć,  że  ma  częstotliwość  równą
zeru,  cewka  ma  opór  równy  rezystancji  uzwoje−
nia.  Opór  ten  można  zmierzyć  omomierzem.
Przy  większych  częstotliwościach  dochodzi  do
tego  opór  związany  z indukcyjnością  cewki.
Czym  większa  częstotliwość,  tym  większy  opór
(reaktancję  indukcyjną)  ma  cewka.  Reaktancji
nie  można  zmierzyć  omomierzem,  ale  można  ją
obliczyć ze wzoru

lub

gdzie f częstotliwść w hercach, L indukcyjność
w henrach, X

– reaktancja w omach. W praktyce

rzadko korzystamy z tego wzoru.

Nie będę Ci tego szczegółowo tłumaczył, ale

zapamiętaj już teraz, że reaktancja indukcyjna jest
w pewnym sensie odwrotna czy przeciwna w sto−
sunku do reaktancji pojemnościowej.

Czy wiesz, że...

Elektrycy i elektronicy opowiadają

dowcip „wyjaśniający” wzrost oporności

cewki dla przebiegów zmiennych. Według jed−

nej wersji prąd zmienny zaplątuje się w zwo−

jach cewki. Według innej „nie wyrabia

się na zakrętach”.

Rys. 19

fLX

π=2

f8,6

Ćwiczenie 13

Zasilacz regulowany

Ćwiczenie 14

Źródła napięcia odniesienia.

Regulowana dioda Zenera

Ośla łączka

Rys. 18

= 2

Fot. 13

Fot. 14

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Dodawanie reaktancji

Na pierwszej wyprawie przekonaliśmy się, że przy
szeregowym połączeniu dwóch jednakowych rezy−
storów rezystancja wypadkowa jest równa
podwójnej wartości rezystancji każdego rezystora.
Połączenie równoległe tych dwóch rezystorów da
połowę rezystancji każdego z nich.

A przy połączeniu w szereg cewki i kondensatora?
O, to nie jest takie proste! Reaktancje zależą od

częstotliwości: pojemnościowa maleje ze wzro−
stem częstotliwości, indukcyjna rośnie. Pomyśl:
dla jakiejś częstotliwości reaktancja pojemnościo−
wa będzie liczbowo równa reaktancji indukcyjnej.

Przypuśćmy, że jakaś cewka i jakiś kondensa−

tor mają dla częstotliwości 100Hz reaktancje rów−
ne 1,6k

Ω (możesz obliczyć pojemność i indukcyj−

ność, ale nie o to chodzi). Jeśli połączymy tę cew−
kę i kondensator w szereg, to czy przy częstotliwo−
ści 100Hz oporność będzie równa 3,2k

Ω?

Nie! Wypadkowa oporność będzie... bliska ze−

ru i wyniesie ułamek oma (w praktyce będzie to re−
zystancja cewki).

Dlaczego? Reaktancje niejako się zniosą – wcze−

śniej zasygnalizowałem, że reaktancje pojemnościo−
wa i indukcyjna są w pewnym sensie przeciwne.

A jak wobec tego zachowają się przy połącze−

niu równoległym i przy częstotliwości 100Hz?

Tym razem, o dziwo, wypadkowa oporność bę−

dzie bardzo duża, rzędu wielu kiloomów.

Może wyda Ci się to bardzo tajemnicze. Nie

będziemy się jednak w to wgłębiać. Wspomnę tyl−
ko, że właśnie omówiliśmy w ekspresowym tem−
pie zjawisko tak zwanego rezonansu.

W praktyce mamy do czynienia z rozmaitego

rodzaju połączeniami rezystorów, cewek i konden−
satorów.  Przykłady  pokazane  są  na  rysunku  K.
Każdy z tych obwodów (dwójników) ma jakąś wy−
padkową oporność. Oporność ta zależy od często−
tliwości.  Zamiast  ogólnego  określenia  „oporność
wypadkowa” używamy fachowego terminu impe−
dancja,  rzadziej:  oporność  zespolona.  Wypadko−
wa oporność przy szeregowym połączeniu rezysto−
ra  i kondensatora  (cewki)  nie  jest  zwykłą  sumą
R+X

(R+X

)

Tym wątkiem też nie będziemy się bliżej zaj−

mować. Na razie zapamiętaj, że impedancja to
oporność wypadkowa dotycząca nie tylko prądu
stałego, ale i zmiennego.

Dlaczego obcina?

Stabilizator nie może zwiększyć napięcia. On nie−
jako obcina napięcie i z większego robi mniejsze
o stabilnej  wartości.  Zauważ,  że  napięcie  wyj−
ściowe  (każdego)  stabilizatora  musi  być  mniej−
sze  niż  najmniejsze  chwilowe  napięcie  na  kon−
densatorze  filtrującym.  Ilustruje  to  rysunek  L,
pokazujący  napięcia
bez  obciążenia  i przy
znacznym  obciążeniu
(Imax).  Gdyby  prąd
był  większy  niż  Imax,
napięcie  UA spadnie
jeszcze  bardziej,  tęt−
nienia  będą  jeszcze
większe  i stabilizator
nie  będzie  w stanie

utrzymać właściwego napięcia wyjściowego. Na−
pięcie wyjściowe zmniejszy się, i co gorsza, prze−
stnie być „czystym” napięciem stałym − pojawią
się w nim tętnienia.

Aby stabilizator mógł pracować poprawnie, mu−

si na nim występować określone napięcie (spadek
napięcia) – na rysunku L jest to napięcie U

ABmin

Jedną z istotnych wad prostych stabilizatorów jest

to, że do prawidłowego działania wymagają znaczne−
go spadku napięcia między wejściem a wyjściem. In−
aczej mówiąc, napięcie na obciążeniu musi być przy−
najmniej o kilka woltów mniejsze od napięcia na
kondensatorze filtrującym C1. Ma to ścisły związek
z bardzo ważną wielkością: mocą strat w tranzystorze
T1. Czym większe napięcie na stabilizatorze, tym
większe straty mocy i potrzebny jest większy radiator.

Stabilizatory scalony LM78xx i LM317 do pra−

widłowej pracy wymagają spadku napięcia na stabili−
zatorze rzędu 1...2V, zależnie od prądu obciążenia.
Istnieją też specjalne stabilizatory, oznaczane LDO
(z ang. Low Drop Out), pracujące poprawnie już przy
spadku napięcia na stabilizatorze rzędu 0,1...0,3V.

Pozwalają one lepiej wykorzystać możliwości

transformatora.

włosów, na ile napięcie w obu układach
zmienia się z temperaturą. Stabilność jest
dużo lepsza, niż w przypadku diody Ze−
nera z ćwiczenia 10.

Poznane elementy można stosować

do budowy zasilaczy, jednak zazwyczaj
wykorzystywane są do innych celów,
zwłaszcza w aparaturze pomiarowej,
właśnie jako źródła napięcia wzorcowe−
go (odniesienia)

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW

Informacje dotyczące zestawu

EdW−04 do „Oślej łączki“ oraz

zasilacza AC12/300 znajdują się

na stronie 120.

Rys. 20

Fot. 15

Rys. K

Rys. L

Ośla łączka

TECHNIKALIA