Zasilanie układów elektronicznych

Gdy przyjrzysz się baterii, to zauważysz, że posiada dwie końcówki oznaczone jako (+) i (–) (czasami końcówki ujemnej nie oznacza się specjalnie – końcówka dodatnia w paluszkach posiada wypustkę, a końcówka ujemna jest płaska). Końcówki te nazywamy biegunami baterii. Z pierwszego rozdziału wiesz, że napięcie elektryczne jest różnicą potencjałów. Znak (+) oznacza historycznie fakt, że biegun ten (zwany dodatnim) ma potencjał wyższy od bieguna ujemnego. Tak po prostu przyjęto. Przyjęto również, że prąd płynie zawsze od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego (czyli od potencjału wyższego do niższego, co wydaje się logiczne), jeśli te dwa bieguny połączymy przewodnikiem (chwilowo tego nie rób, bo stracisz baterię, a w krańcowym przypadku może ona nawet eksplodować, obryzgując cię nieprzyjemną, żrącą mazią).

Później okazało się, że nie jest to do końca prawdą. Otóż, jeśli nośnikami ładunku są cząstki posiadające ładunek dodatni (np. jony), to kierunek przepływu tych cząstek jest właśnie taki: od bieguna dodatniego do ujemnego (pamiętasz to, co powiedzieliśmy o odpychaniu się ładunków? Cząstki dodatnie są odpychane od bieguna dodatniego, a przyciągane przez biegun ujemny, a to powoduje ruch tych cząstek od plusa do minusa). Jednakże w metalach nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony o ładunku ujemnym (o tym fakcie dowiedziano się dużo później, gdy zdefiniowano już podstawowe prawa elektryczności). W ich przypadku ruch odbywa się w drugą stronę, tzn. od bieguna ujemnego do dodatniego. Ponieważ prawa elektryczności zostały już wcześniej zdefiniowane i zdołano się do nich przyzwyczaić, zapadła decyzja, aby nie wprowadzać zamieszania w fizyce i wszystko pozostawić tak jak jest. W sumie rzeczywisty kierunek przepływu ładunków dla nas nie jest specjalnie istotny. Zapamiętaj zatem: prąd elektryczny płynie umownie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego:

(+) → (–)

Z powodu tych biegunów nie jest obojętne, jak zasilamy układy elektroniczne. Jak zobaczysz w dalszej części kursu, układy scalone muszą być zasilane odpowiednio spolaryzowanym napięciem, tzn. biegun dodatni musi być podłączony do właściwej końcówki układu scalonego. To samo dotyczy bieguna ujemnego. Odwrócenie tych biegunów w najlepszym razie objawi się brakiem działania układu. W najgorszym... no cóż, przygotuj sobie kasę na nowe elementy elektroniczne.

Pojedyncza bateria (ogniwo) wytwarza określone napięcie zależne od jej typu. Współczesne baterie alkaliczne, tzw. paluszki, dają napięcie nieco ponad 1,5V. Sprawdź to swoim multimetrem:

Najpierw pokrętłem funkcji ustaw pomiar napięcia stałego (V–) do 2V (na skali pokrętła przełącznika może być napis 2000m, co oznacza 2 tysiące miliwoltów, czyli dwa wolty, 1 mV = 1/1000 V). Przy pomiarze napięć ważne jest, aby miernik był ustawiony na pomiar nieco wyższego napięcia od spodziewanego. W większości naszych przypadków wystarczy pomiar napięć do 20V. Następnie dotknij elektrodami miernika końcówek baterii: elektroda czarna COM do bieguna minus, elektroda czerwona do bieguna plus. Jeśli pomylisz bieguny, to tutaj akurat nie powinno nic się stać. Jedynie na wskazaniu miernika może pojawić się znak minus, co oznacza odwrotną biegunowość mierzonego napięcia. U mnie pomiar dał wynik 1562 mV, czyli 1,56 V (ostatniej cyfrze raczej nie wierzę, to musiałby być miernik naprawdę wysokiej klasy, aby mierzyć napięcia z taką dokładnością). Niektóre mierniki posiadają przycisk HOLD lub H. Naciśnięcie go powoduje ciągłe wyświetlanie ostatniego pomiaru (ang. hold = przytrzymaj, zatrzymaj, wstrzymaj, utrzymaj).

Jeśli bateria paluszkowa daje dużo niższe napięcie (np. 0,9V), to jest zużyta i nie nadaje się się zasilania układów cyfrowych. Należy zastąpić ją nową baterią.

Pojedyncze baterie można łączyć szeregowo, uzyskując w ten sposób zwielokrotnione napięcie pojedynczego ogniwa, ponieważ w połączeniu szeregowym napięcia ogniw dodają się (jeśli są połączone w tym samym kierunku!):

Na rynku dostępne są baterie płaskie o napięciu 4,5V (mierząc takie napięcie multimetrem, ustaw zakres 20V). Wewnątrz bateria płaska zawiera trzy pojedyncze ogniwa po 1,5V, które są połączone szeregowo, co daje w sumie: 3 x 1,5V = 4,5V. Elektrody mają postać pasków z mosiądzu. Elektroda ujemna jest dłuższa od dodatniej.

Baterie o napięciu 9V (zawierające wewnątrz 6 ogniwek po 1,5V) nie będą przydatne do naszych celów, ponieważ większość konstruowanych przez nas urządzeń będzie pracowała pod napięciem od 3,3 do 5V.

Napięcie na schematach elektrycznych oznaczamy symbolem strzałki, która jest skierowana od punktu o potencjale niższym do punktu o potencjale wyższym. Jak widzisz z powyższych przykładów napięcia źródeł dodają się, jeśli są skierowane w tym samym kierunku. Napięcia skierowane przeciwnie będą się odejmowały.

Z gniazda goldpin odcinamy fragment na dwa wtyki. Robi się to bardzo prosto: ostrym nożykiem nacinamy gniazdo po obu stronach na wysokości trzeciego pinu (jest tracony), po czym delikatnie odłamujemy. Krawędzie wyrównujemy nożykiem i papierem ściernym.

Końcówki baterii wyginamy, tak aby były nieco zaokrąglone na zewnątrz. Wtedy otrzymamy lepszy styk, gdyż będą sprężynować i dociskać się do powierzchni styku. Przygotowujemy kawałek płytki miedziowanej o rozmiarze około 1,5 x 3...4 cm. Płytka powinna mieć mniej więcej szerokość baterii. Takich płytek z czasem będziesz miał mnóstwo, ponieważ powstają jako odpad po przycięciu większych płytek, z których wykonuje się różne układy elektroniczne. Płytki miedziowane kupisz za grosze w sklepie z częściami elektronicznymi. Jeśli nie masz odpowiedniej płytki, to łatwo ją wytniesz z paska większej. W tym celu mocno zarysuj kilkakrotnie ostrym nożykiem linię podziału z oby stron płytki, po czym po prostu przełam płytkę, wyginając ją w obie strony. Pomocny może okazać się jakiś uchwyt, np. imadło jest do tych celów idealne. Po przełamaniu wyrównaj krawędź płytki papierem ściernym (papier układamy na równej powierzchni i, dociskając do niego krawędź płytki, przeciągamy kilkakrotnie tam i z powrotem aż krawędź się wyrówna).

Na płytce nożykiem i linijką nacinamy rowek po stronie miedziowanej. Rowek powinien wypaść pomiędzy elektrodami baterii. Rowek musi oddzielać elektrycznie oba obszary miedzi. Płytkę dokładnie oczyść drobnym papierem ściernym.

Do płytki przystawiamy wycięty wcześniej kawałek gniazda goldpin, tak aby rowek wypadał pomiędzy jego końcówkami. Gniazdo delikatnie przylutowujemy do miedzi na płytce. W tym celu dobrze jest pokryć obszar lutowany roztworem kalafonii w rozpuszczalniku nitro lub denaturacie. Wtedy cyna się równo rozpłynie i otrzymamy ładny lut.

Gdy gniazdko będzie dobrze przylutowane, odginamy je delikatnie pod katem prostym w stosunku do płytki.

Teraz wystarczy czymkolwiek przytwierdzić naszą płytkę do baterii 4,5 V (pamiętaj, aby szczelina wypadała pomiędzy elektrodami, inaczej stworzysz zwarcie i bateria bardzo szybko się rozładuje). Do tego celu da się zastosować zwykłą gumkę aptekarską (recepturkę) lub taśmę izolacyjną (a nawet plaster opatrunkowy, co pozostawiam już twojej inwencji). Na płytce zaznacz plus i minus. Do plusa podłączaj zawsze kabelek czerwony, a do minusa czarny.

Jak wyczerpiesz baterię, to rozcinasz taśmę, kupujesz nową baterię i ponownie montujesz swój "zasilacz". Proste, ale skuteczne.

Z gniazda goldpin odetnij segment na dwa wtyki. Ponieważ będzie on klejony do pojemnika, przetrzyj go z jednej strony grubszym papierem ściernym, aby powierzchnia była bardziej chropowata – klej lepiej przylgnie.

Pojemnik na baterie AAA może posiadać wyprowadzone dwa przewody (korzystniejsza dla ciebie wersja) lub styki, do których przewody należy przylutować. W tym drugim przypadku przylutuj przewód do pierwszego wyprowadzenia.

Następnie przeciągnij ten przewód na drugą stronę pojemnika. Na spodzie powinien znajdować się przeznaczony na to rowek.

Teraz do drugiego wyprowadzenia przylutuj drugi przewód. Przewody odetnij równo mniej więcej centymetr od krawędzi pojemnika.

Z końców przewodów ściągnij izolację na długości 3mm. Przewody przylutuj do odciętego segmentu gniazdka goldpin (strona zmatowiona papierem ściernym powinna być zorientowana w kierunku pojemnika).

Przygotuj niewielką ilość Poxipolu (lub innego mocnego kleju, jednak zainwestuj w Poxipol, gdyż oddaje nieocenione usługi w konstrukcjach amatorskich). Papierem ściernym przetrzyj miejsce klejenia na obudowie, aby było chropowate.

Posmaruj klejem spód segmentu goldpin i przyklej go z boku do pojemnika baterii. Dobrze jest użyć czegoś do chwilowego przyciśnięcia segmentu – ja wykorzystałem zwykłą gumkę. Poxipol wiąże po około 10 minutach. Zostaw wszystko na pół godziny dla pewności.

Zasilacz gotowy. Wystarczy włożyć do niego 3 paluszki i już można zasilać układy cyfrowe. Zaznacz sobie na segmencie goldpin plus zasilania. Tam zawsze podłączaj przewód czerwony, do drugiego otworu wkładaj wtyczkę przewodu czarnego.

Wykorzystując stary zasilacz ATX, zbudujemy bardzo dobry zasilacz dający napięcia 3,3V, 5V i 12V. Jest to zasilacz dużej mocy. Z jednej strony to dobrze, z drugiej źle, ponieważ praca z takim zasilaczem wymaga ostrożności, aby czegoś sobie nie upalić.

Za parę groszy kupujesz zasilacz ATX ze starego komputera. Powinien posiadać moc 200...250W. Zasilacz jest kompletnym urządzeniem i nie będziemy nic zmieniać w sposobie jego działania.

Z tyłu obudowy powinien znajdować się wyłącznik oraz gniazdo na kabel sieciowy. Zasilacze ATX wyposażone są również w chłodzący je wentylator.

Pamiętaj, aby wszelkie prace wewnątrz zasilacza wykonywać z odłączonym kablem sieciowym. Jeśli tego nie będziesz przestrzegał, to możesz nawet przypłacić życiem budowę tego urządzenia.

Zanim otworzysz obudowę, sprawdź, czy zasilacz się nada do naszych celów. Z zasilacza wychodzi wiązka przewodów, którymi były zasilane elementy komputera. Zobaczysz tam trzy rodzaje wtyczek:

Wtyczka Molex

Wtyczka Molex mini

Wtyczka MPC

Przejdź do wtyczki MPC (ang. Main Power Connector). Spójrz na nią od strony styków (zaczep boczny powinien znajdować się po prawej stronie).

Przewody masy (o potencjale 0V) mają kolor czarny. Jest ich kilka, aby prądy rozpływały się równomiernie. Przewody z napięciem +5V powinny być czerwone (też będzie ich kilka). Przewody żółte przenoszą napięcie +12V. Zlokalizuj przewody z napięciem 3,3V i zapisz sobie ich kolor (na powyższym obrazku są miodowe, lecz w moim zasilaczu miały kolor fioletowy).

Za pomocą kawałka drutu zewrzyj  styk PS_ON (ang. Power Supply ON = włączenie zasilacza) z dowolną masą. Zapamiętaj kolor przewodu PS_ON. Powinien być zielony, ale nie jest to standard (u mnie był akurat szary). Zwarcie PS_ON z masą powoduje włączenie zasilacza.

Podłącz teraz kabel sieciowy i włącz zasilacz. Jeśli usłyszysz szum wentylatora, to wszystko jest w porządku.

Jeśli po podłączeniu do sieci nie uruchomił się wentylator, to są dwie możliwości:

1. Zasilacz jest uszkodzony i nie będzie działał.
2. Jest to taki typ zasilacza, który wymaga wstępnego obciążenia, inaczej się nie włączy. Aby to sprawdzić, wystarczy podpiąć do wtyczki Molex jakiś stary dysk twardy lub stację CD. Jeśli zasilacz zacznie działać, to masz taki właśnie typ. Nie jest to dla ciebie specjalnie korzystne, ponieważ będziesz musiał go czymś obciążać. Lepiej poszukać zasilacza pierwszego typu, który uruchomi się nawet bez obciążenia.

Reszta tego projektu dotyczy zasilacza pierwszego typu. Odłącz kabel sieciowy, odkręć cztery śrubki u góry obudowy (schowaj je sobie, bo będą potrzebne) i zdejmij pokrywę górną. Niektóre zasilacze posiadają dławik przyklejony do pokrywy obudowy. Dławik jest połączony przewodem z gniazdem na płytce zasilacza. Odepnij ten przewód, naciskając na wtyczkę z boku i pociągając ją do góry.

Zapewne środek będzie bardzo zakurzony. Przeczyść go szczotką i przedmuchaj. Czynność tą wykonaj na balkonie lub na polu, aby od razu nie zniechęcić do tego projektu reszty rodziny. Szczególnie zwróć uwagę na łopatki wentylatora. Kurz, który się na nich zbiera powoduje, że wentylator nie pracuje równomiernie i wywołuje dosyć duży szum.

Wnętrze zasilacza może wyglądać skomplikowanie. Nie przejmuj się, nic nie będziemy tam zmieniać, zajmiemy się tylko przewodami, które wychodzą na zewnątrz. Najpierw jednak ustaw sobie zasilacz tak jak na powyższym zdjęciu i przyglądnij się kondensatorom elektrolitycznym (to takie małe cylindry w kolorze niebieskim). Wszystkie kondensatory powinny posiadać równe, płaskie wieczka. Jeśli któryś jest wybulony (spuchnięty), to nadaje się do wymiany. Jeśli nie umiesz jeszcze dobrze operować lutownicą, to daj sobie spokój z takim zasilaczem, gdyż wymaga on wymiany tych kondensatorów na nowe. U mnie na szczęście kondensatory były zdrowe.

Spójrz teraz na tył obudowy, gdzie znajduje się wyłącznik oraz gniazdko na kabel sieciowy. Starsze zasilacze posiadały jeszcze przełącznik napięcia 110/220V. W Polsce mamy obecnie tylko napięcie 240V. Przełącznik ten jest o tyle niebezpieczny, że ustawienie go na 110V i podłączenie zasilacza do sieci 240V powoduje efektowny trzask, siwy dymek z wnętrza i koniec marzeń o zasilaniu tym sprzętem czegokolwiek.

Dlatego przełącznik napięcia najlepiej usunąć. Odkręć przełącznik i znajdź miejsce, gdzie jego przewody dochodzą do płytki zasilacza. Utnij je zaraz przy płytce, aby nie spowodować przypadkowego zwarcia. Przełącznik możesz sobie zachować na pamiątkę.

Nadeszła pora na wykonanie otworów w bocznej ściance zasilacza na gniazda bananowe. Otwory powinny być w takim miejscu, aby nie kolidowały z wnętrzem zasilacza. U góry ścianki powinno być dobrze. Otworów będzie 5: 2 na masę i po jednym dla napięć kolejno 3,3V, 5V i 12V. Najpierw zaznacz pisakiem miejsce na otwory. Następnie za pomocą gwoździa i młotka napunktuj je, aby wiertło trafiło tam, gdzie trzeba.

Zacznij od wywiercenia małych otworów wiertłem 1...2mm. Następnie rozwierć je do właściwej średnicy (8mm, zależnie od posiadanego typu gniazdek bananowych). Brzegi otworów wygładź iglakami i papierem ściernym, aby nie było tam zadziorów.

Przód obudowy można wykonać z tektury 1mm. Wytnij z niej pasek o szerokości ścianki przedniej i o takiej wysokości, aby zostały zakryte wycięcia w ściance. Na wyciętym kawałku zaznacz pozycję otworów. Robi się to bardzo prosto: wystarczy przyłożyć pasek z od tyłu do ścianki i przerysować otwory ołówkiem.

Otwory wycinamy nożykiem lub wybijakiem do skóry (jeśli coś takiego posiadasz). Rozmiar otworu powinien być tak dobrany, aby bez problemu przechodziło przez niego gniazdko bananowe. Jeśli chcesz wyposażyć swój zasilacz w lampkę sygnalizacyjną, to zakup diodę LED czerwoną o średnicy 5mm oraz opornik 470 omów (zarówno oporniki jak i diody LED opisujemy w dalszych rozdziałach). Do tekturki doklej fragment o kształcie wycięcia w przodzie obudowy. Następnie wybij otwór na diodę LED.

Przytnij krótszą nóżkę diody oraz nóżkę opornika i zlutuj je razem. Tak przygotowana dioda będzie świecić na czerwono po podłączeniu drugiej końcówki opornika do masy, a wolnej nóżki diody do napięcia +5V.

Teraz zaczynamy montaż całości. Przód z tekturki pomaluj na czarno i przylep klejem Butapren do przodu obudowy (Butapren pozwala łatwo lepić papier do metalu). W otwory włóż gniazda bananowe i dokręć nakrętkami od tyłu. Nie zapomnij o podkładkach sprężynujących. Nakrętki dokręcaj z wyczuciem, aby nie zerwać gwintu.

Do dwóch pierwszych gniazdek przylutuj dwa przewody czarne. Odcinasz je na odpowiedniej długości z wiązki przewodów, które wychodzą z zasilacza. Jeśli używasz diody LED, to do pierwszego gniazdka przylutuj końcówkę opornika, a do nóżki diody przylutuj jeden z przewodów czerwonych.

Wyszukaj w wiązce przewód PS_ON, przytnij go wraz z przewodem czarnym i zlutuj je razem (jest to warunek włączenia się zasilacza).

Do pozostałych wtyczek przylutuj przewody: 3,3V (zapamiętany kolor), 5V (czerwony) i 12V (żółty).

Pozostałe przewody z wychodzącej wiązki odetnij delikatnie przy płytce i schowaj je sobie.

Powierzchnie lutów owiń dokładnie taśmą izolacyjną.

Zasilacz jest gotowy. Załóż górę obudowy (jeśli wewnątrz jest dławik, to podłącz go do gniazda na płytce zasilacza), przykręć ją śrubkami. Podłącz kabel sieciowy i włącz zasilacz. Jeśli nie popełniłeś pomyłki, to zasilacz zacznie od razu pracować. Aby podłączać do niego urządzenia, zrób z przewodów w odciętej wiązce kable zasilające. Krokodylki i wtyczki są tak skonstruowane, że nie trzeba nic lutować. Wystarczy zacisnąć lub dokręcić śrubką. Nie zapomnij opisać gniazdek na płycie czołowej.

Jeszcze raz zwracam uwagę: zasilacz ma dużą moc. Podłączając do niego urządzenie zawsze sprawdzaj, czy nie ma zwarć (szczególnie dotyczy to napięcia 3,3V). Co prawda zasilacz ATX posiada zabezpieczenie przeciwzwarciowe, ale prąd zwarciowy może być bardzo duży.