Koło elektroniczno-informatyczne

Zasilanie układów elektronicznych

 

Pierwszym urządzeniem, które powinniśmy sobie skonstruować, jest zasilacz do układów cyfrowych. Bez zasilacza niczego nie uruchomimy. Później w charakterze zasilacza będziemy stosowali programator USBisp, jednakże dobrze jest posiadać osobne źródło zasilania. Zaczniemy od najprostszych, bateryjnych zasilaczy. Na końcu podamy wskazówki budowy zasilacza elektronicznego.

Zasilacz do urządzeń cyfrowych powinien dawać napięcie zbliżone do 5V. W standardzie TTL tolerancja napięcia wynosi od 4,75 do 5,25 V. Tak było kiedyś. Obecne układy tolerują duży zakres napięć zasilających (od 1,8V do 7V).

 

 

Bateria elektryczna

 
   
Bateria (właściwie powinno się ją nazywać ogniwem, ponieważ termin "bateria" oznacza zespół, kilka sztuk) jest urządzeniem, które wytwarza energię elektryczną za pomocą zachodzących wewnątrz reakcji chemicznych. Obecnie używane powszechnie baterie zostały wynalezione w latach 50-tych ubiegłego wieku. Są to tzw. baterie alkaliczne. Nie będziemy tutaj wnikać w szczegóły budowy baterii ani w zasady jej działania, ponieważ interesują nas tylko jej własności elektryczne. Zatem, co powinno się wiedzieć o bateriach?

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.

http://www.snapshop.pl/_var/gfx/ea5aff0ea05ae12031de20d046231fd7.jpg

 

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.

 

 

 

Projekt nr 1: zasilacz bateryjny 4,5V

 
   
Zaczynamy pierwszą konstrukcję w naszym małym warsztacie elektronicznym. Będzie to prosty zasilacz o napięciu 4,5V zbudowany ze zwykłej baterii płaskiej. Oto co będziesz potrzebował:
Materiał Ilość Uwagi
Bateria płaska 4,5V 1  
Przewód giętki z wtykiem męskim i żeńskim 2 W kolorze czarnym i czerwonym
Gniazdo goldpin żeńskie jednorzędowe 1  
Płytka miedziowana 1,5 x 4 cm 1  
Lutownica + cyna + kalafonia 1  
Nożyk 1  
Linijka metalowa 1  
Taśma izolacyjna, gumka recepturka, plaster... 1  

 

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.

 

 

Projekt nr 2: zasilacz bateryjny 3 x AAA

 
   
Ten projekt dotyczy zasilacza z 3 bateryjek paluszkowych AAA. Oto lista potrzebnych elementów:
Materiał Ilość Uwagi
Pojemnik na 3 baterie AAA 1  
Bateria paluszkowa AAA 3  
Przewód giętki z wtykiem męskim i żeńskim 2 W kolorze czarnym i czerwonym
Gniazdo goldpin żeńskie jednorzędowe 1  
Przewód 2 W różnych kolorach
Lutownica + cyna + kalafonia 1  
Nożyk 1  
Linijka metalowa 1  
Klej Poxipol 1  

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.

 

 

 

Akumulatorki

 
   
Akumulator jest urządzeniem podobnym w działaniu do ogniwa galwanicznego. Pod wpływem reakcji chemicznej są w nim uwalniane elektrony, które tworzą prąd elektryczny. Różnica jest taka, że w baterii reakcja chemiczna nieodwracalnie zużywa elementy składowe. W akumulatorze elementy te daje się regenerować w procesie ładowania, czyli magazynowania energii wewnątrz akumulatora. Oczywiście regeneracja nie jest stuprocentowa. Po pewnej liczbie cykli ładowania-rozładowania akumulator zużywa się i ma coraz mniejszą pojemność. Zwykle jednak liczba tych cykli wynosi od kilkuset do kilku tysięcy.

http://www.conrad.com/medias/global/ce/2000_2999/2500/2510/2513/251374_BB_00_FB.EPS_1000.jpg

Pod względem budowy zewnętrznej akumulatory przypominają zwykłe baterie. Po obu końcach mamy bieguny: dodatni i ujemny. Różnicę można zauważyć na etykiecie, na której pojawia się informacja o maksymalnej pojemności akumulatora. Na przykład, akumulatorek pokazany powyżej posiada pojemność 800mAh. Ah to tzw. amperogodzina, czyli prąd o natężeniu jednego ampera płynący przez jedną godzinę. mAh to miliamperogodzina, czyli 1/1000 amperogodziny. Zatem po pełnym naładowaniu nasz akumulatorek może dostarczać prąd o natężeniu 0,8A przez 1 godzinę. Jeśli pobierany prąd będzie mniejszy, to czas się odpowiednio wydłuża. Np. przy prądzie o natężeniu 0,1A akumulatorek będzie działał przez 8 godzin.

Do ładowania akumulatorków służy specjalne urządzenie - ładowarka. W ładowarce umieszczamy rozładowane akumulatorki i podłączamy ją do sieci energetycznej. Proces ładowania trwa kilka, kilkanaście godzin. Tutaj mam drobną uwagę. Nie próbuj doładowywać baterii w ładowarce do akumulatorków. Baterie są w środku zbudowane inaczej i ładowanie nic nie da. W skrajnym przypadku taki eksperyment może doprowadzić do "wybuchu" baterii i ochlapania wszystkiego dookoła nieprzyjemną mazią. Zatem, jeśli właśnie to nie jest twoim celem, to daruj sobie oszczędności na bateriach. (Niektórzy konstruktorzy podejmują próby budowy urządzeń do regeneracji baterii alkalicznych i ponoć mają nawet sukcesy na tym polu. Jednakże taki regenerator działa inaczej od zwykłej ładowarki, a zregenerowana bateria nie ma już nigdy takiej samej pojemności jak bateria nowa, więc chyba lepiej zainwestować w normalne akumulatorki)

Akumulatorki w porównaniu z bateriami są dosyć drogie. Ich cena zależy głównie od jakości oraz od pojemności i wynosi 6...12 zł. Do tego należy doliczyć koszt ładowarki około 50zł. Jeśli jednak korzystasz często z urządzeń bateryjnych (radyjka, instrumenty muzyczne, układy elektroniczne), to koszt zakupu akumulatorków i ładowarki po pewnym czasie się zwróci.

Zmierz swoim multimetrem napięcie akumulatorka.

Dobrze naładowany akumulatorek powinien dawać napięcie około 1,2...1,35V. Ponieważ w trakcie pracy napięcie to spada pod obciążeniem, przyjmuje się, że akumulatorek paluszkowy daje zwykle napięcie 1,2V (jeśli po naładowaniu napięcie jest dużo niższe, to akumulatorek nadaje się tylko do kosza). Jest to o około 0,3V mniej od baterii. Co z tego wynika? Jeśli chcesz zasilać swoje urządzenie elektroniczne napięciem około 5V, to musisz połączyć szeregowo 4 akumulatorki, co da napięcie 4 x 1,2V = 4,8V. Trzy akumulatorki dadzą napięcie tylko 3,6V (na szczęście współczesne układy cyfrowe potrafią stabilnie pracować przy takim napięciu, a nawet niższym).

 

 

 

Projekt nr 3: zasilacz akumulatorkowy 4,8V

 
   
Wykonanie zasilacza z 4 akumulatorków paluszkowych jest właściwie zupełnie identyczne jak w przypadku zasilacza z trzech bateryjek AAA.
Materiał Ilość Uwagi
Pojemnik na 4 baterie AAA 1  
Akumulatorek AAA 4  
Przewód giętki z wtykiem męskim i żeńskim 2 W kolorze czarnym i czerwonym
Gniazdo goldpin żeńskie jednorzędowe 1  
Przewód 2 W różnych kolorach
Lutownica + cyna + kalafonia 1  
Nożyk 1  
Linijka metalowa 1  
Klej Poxipol 1  

Z gniazda goldpin wycinamy segment na dwa piny. Jeśli pojemnik nie posiada wyprowadzonych przewodów, to przylutowujemy dwa przewody do jego końcówek.

Przewody przycinamy tak, aby segment goldpin mógł być później przyklejony do boku pojemnika.

Z końcówek przewodów ściągamy izolację i przylutowujemy je do nóżek segmentu goldpin. Bardzo pomocna przy tej operacji jest lupa z krokodylkami (tzw. trzecia ręka).

Segment goldpin przyklejamy do boku pojemnika. Przewody należy nieco naciągnąć, aby się nie zsuwały (niezłym pomysłem jest ustabilizowanie ich kropelką Poxipolu).

 

Zasilacz gotowy, wystarczy włożyć do niego akumulatorki i podłączyć układ elektroniczny.

A co będzie, jak się pomylisz i zamiast akumulatorków włożysz cztery baterie AAA? Otrzymasz zasilacz 6V (4 x 1,5V). Układy cyfrowe wytrzymują zasilanie do 7V. Zatem taki zasilacz nie powinien narobić ci szkód.



List do administratora Serwisu Edukacyjnego Nauczycieli I LO

Twój email: (jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)
Temat:
Uwaga: ← tutaj wpisz wyraz  ilo , inaczej list zostanie zignorowany

Poniżej wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału (max. 2048 znaków).

Liczba znaków do wykorzystania: 2048

 

W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.



   I Liceum Ogólnokształcące   
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie

©2017 mgr Jerzy Wałaszek

Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.