Serwis Edukacyjny
w I-LO w Tarnowie
obrazek

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Wstecz       Dalej  

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek

©2020 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Bity w elektronice

Zasilanie układów TTL i CMOS

SPIS TREŚCI
Podrozdziały

UWAGA!

Niektóre z opisanych w tym rozdziale układów są zasilane napięciem sieciowym, które jest niebezpieczne dla życia. Jeśli nie masz doświadczenia w pracy z napięciem sieciowym, nie próbuj wykonywać samodzielnie tych układów - poproś kogoś doświadczonego lub kup zasilacz fabryczny. Nierozważne eksperymenty z napięciem sieciowym mogą zakończyć się śmiertelnym porażeniem prądem elektrycznym.

Kiedyś być może zechcesz samodzielnie zbudować jakieś urządzenie cyfrowe (wcale nie jest to takie trudne). W młodości sam konstruowałem różne urządzenia - organy elektroniczne, zegary, liczniki, interfejsy do komputera itp. Podstawowym problemem do rozwiązania jest zasilanie tych układów energią elektryczną.

Zasilanie układów CMOS

Układy CMOS są mało wybredne co do parametrów zasilania. Napięcie zasilające może wynosić od 3 V do 18 V. Z tego powodu oraz z uwagi na znikomy pobór mocy układy CMOS można zasilać bateryjnie (2-3 paluszki lub bateria 9 V), co umożliwia budowę urządzeń przenośnych lub pracujących w miejscu, gdzie trudno byłoby doprowadzić zasilanie sieciowe.

Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie zasilacza sieciowego o napięciu 6 V..12 V. Zasilacz nie musi być stabilizowany. Można skorzystać z bogatej oferty zasilaczy, sprzedawanych w sklepach elektronicznych lub poprzez Internet. Koszt gotowego zasilacza to około 20...40 zł.

Drugim rozwiązaniem jest samodzielne skonstruowanie zasilacza. Potrzebne nam będą następujące elementy:

Transformator

Transformator jest urządzeniem elektrycznym, które umożliwia zasilanie urządzeń o niższym napięciu niż napięcie 230 V w sieci elektrycznej w naszych domach. Zwykle składa się z dwóch uzwojeń nawiniętych na specjalnym korpusie osadzonym na ferromagnetycznym rdzeniu. Pierwsze uzwojenie, zwane uzwojeniem pierwotnym, jest zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej 230 V. Zmienny prąd elektryczny pobierany z sieci przez uzwojenie pierwotne wytwarza w rdzeniu transformatora zmienny strumień magnetyczny. Strumień przenika drugie uzwojenie, zwane wtórnym, indukując w nim zmienną siłę elektromotoryczną. Jeśli do uzwojenia wtórnego zostanie przyłączony odbiornik, to popłynie w nim prąd elektryczny. Napięcie elektryczne na uzwojeniu wtórnym jest zależne od stosunku liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym oraz od napięcia zasilającego uzwojenie pierwotne. Zależność jest następująca:

n 1 - liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym transformatora
n 2 - liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym transformatora
U 1 - napięcie na uzwojeniu pierwotnym
U 2 - napięcie na uzwojeniu wtórnym
n 1     U 1
n 2 U 2

Podany wzór jest przybliżony, ponieważ w rzeczywistym transformatorze występują różne straty - m.in. na grzanie się rdzenia, na rozproszenie strumienia magnetycznego, na wewnętrznej oporności uzwojeń, na przemagnesowaniu rdzenia itp. Na szczęście nie musimy wcale obliczać i budować transformatora - kupimy gotowy produkt w sklepie elektronicznym lub poprzez Internet. Poniżej podaję dla ułatwienia parametry kilku polskich transformatorów sieciowych, które z powodzeniem można wykorzystać do wykonania zasilacz układów CMOS:

obrazek
obrazek
Symbol Napięcie - Prąd
[ V ] - [ A ]
A×B×C
[ mm ]
Moc
[ VA ]
TS2/034
TS2/035
12V - 0,17A 36 x 32 x 31 2
TS2/036
TS2/037
2 X 12V - 2 X 0,08A
TS2/040 10V - 0,14A
TS2/048 8,5V -0,15A
TS2/14 8,2V - 0,22A
TS2/15
TS2/34
10,1V - 0,18A
TS2/16 6V - 0,22A
TS2/33 8.6V - 0.16A
TS2/36 8,8V - 0,22A
TS2/39
TS2/20
10,6V - 0,2A
TS2/44 14V - 0,1A
TS2/56 15V - 0,1A
TS4/006 10V - 0,3A 42 x 38 x 35 4..5
TS4/022
TS4/023
12V - 0,33A
TS4/33 9V - 0,3A
TS4/34 13,3V - 0,2A
TS4/37 9,5V - 0,3A
TS4/40 8,5V - 0,5A
TS4/47 11V - 0,3A
TS5/10
TS5/3
TS5/6
TS6/34
10V - 0,5A
TS5/9 8V - 0,4A
TS6/12
TS6/16
8,5V - 0,7A 50 x 43 x 40 6
TS6/25 10V - 0,6A
TS6/30 8,5V - 0,7A
TS6/46 9V - 0,5A
TS6/49 8,5V - 0,5A
TS6/63 12V - 0,5A
TS8/029 12V  0,67A 49 x 43 x 41 8
TS8/17 10,5V - 0,5A
TS8/36 9V - 0,7A 55 x 45 x 45
TS10/018
TS10/019
12V - 0,8A 10
TS10/35 9V - 1A
TS10/4 13,7V - 0,65A
TS12/12 9,1V - 1,2A 60 x 47 x 50 12
TS12/3 11,5V - 1A
TS12/013 9V - 1,3A 55 x 45 x 45
TS15/29 9,4V - 1,9A 60 x 47 x 50 15
TS18/10 10,5V - 1,3A 60 x 50 x 50 18
TS18/16 12V - 1,4A
TS20/036 12V - 1,7A 20
TS20/038
TS20/039
10V - 2A
TS20/13 14V - 1,5A 67 x 55 x 55
TS20/14 12V - 1,5A
TS20/16 13,8V - 1,2A
TS20/20 8,7V - 2,3A
TS25/009
TS25/010
12V - 2A 25
TS25/25 13V - 3A

Dobierając transformator sieciowy musimy również zwrócić uwagę na maksymalną moc pobieraną przez urządzenie cyfrowe. Aby nie przeciążyć zbytnio transformatora, powinien on posiadać moc 1,5 do 2 razy większą. Moc pobieraną przez urządzenie obliczymy sumując moce tracone na każdym układzie scalonym - odpowiednie dane uzyskamy w katalogu producenta, który jest również dostępny w sieci Internet.

Prostownik mostkowy

obrazek

Napięcie pobierane z uzwojenia wtórnego transformatora sieciowego jest napięciem naprzemiennym, sinusoidalnym (ang. AC – Alternative Current). W takiej formie nie może być użyte do zasilania układów cyfrowych, które wymagają napięcia stałego (ang. DC - Direct Current). Musimy zastosować prostownik (ang. rectifier). Prostownik zbudowany jest z diod (ang. diode). Dioda jest elementem elektronicznym, który przewodzi prąd tylko w jednym kierunku:

obrazek

Dzięki tej własności diody stosowane są do prostowania napięcia zmiennego. W tym celu łączy się je w tzw. układ mostka Grätza (ang. Graetz bridge rectifier). Jest to prostownik dwupołówkowy, którego zasadę działania wyjaśnia poniższy rysunek:

obrazek

obrazek

Prostownik mostkowy Grätza możemy zbudować sami z 4 diod, jednakże lepszym rozwiązaniem będzie zakup gotowego elementu. W sprzedaży są scalone prostowniki mostkowe o prądzie od 1 do ponad 100 A. Na nasze potrzeby zwykle wystarczy prostownik o prądzie od 1 do 5 A. Scalone prostowniki mostkowe posiadają 4 wyprowadzenia – tzw. nóżki (ang. pins). Do nóżek oznaczonych znakiem ~ podłączamy wyjście uzwojenia wtórnego transformatora – to będzie źródło napięcia zmiennego. Na nóżkach oznaczonych + i - pojawi się wyprostowane (ale pulsujące) napięcie "stałe", którym będziemy zasilać urządzenie cyfrowe CMOS.

Na prostowniku mostkowym występuje zawsze spadek napięcia około 1,2 V...1,4 V (po 0,6...0,7 V na diodę).

Kondensator elektrolityczny

Pozostaje ostatni problem do rozwiązania. Napięcie na wyjściu prostownika mostkowego jest napięciem pulsującym:

obrazek

obrazek

W tej postaci napięcie pulsujące powodowałoby zakłócenia w pracy układów cyfrowych. Musimy je wygładzić. Do tego celu stosuje się kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności – 1000 µF... 4700 µF / 25 V. Kondensator magazynuje i oddaje ładunki elektryczne. Dzięki tej własności zmniejsza się pulsacja napięcia wyjściowego z prostownika mostkowego – w momencie zaniku napięcia zasilającego, napięcie utrzymuje kondensator:

obrazek  

Zasilacz niestabilizowany

Poniżej przedstawiony jest schemat ideowy prostego zasilacza dla układów cyfrowych CMOS. Na wyjściu dodatkowo zastosowano kondensator filtrujący o pojemności 0,1 µF. Ma on na celu eliminację zakłóceń o wyższych częstotliwościach, które mogą przedostawać się z sieci energetycznej.

obrazek

Więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule "Technika cyfrowa".

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zasilanie układów TTL

Cyfrowe układy scalone TTL wymagają zasilania napięciem stałym, stabilizowanym o wartości 5 V (odchyłka wynosi tylko 0,25 V). Budując urządzenie cyfrowe oparte na układach TTL mamy kilka opcji realizacji zasilania:

Zakup gotowego zasilacza - przemysł elektroniczny produkuje zasilacze stabilizowane o napięciu wyjściowym 5 V, które idealnie nadają się do zasilania urządzeń cyfrowych. Zasilacze te są dostępne w sklepach elektronicznych lub wysyłkowo w sklepach internetowych. Koszt około 30 ... 40 zł.

obrazek

Jeśli urządzenie cyfrowe pobiera dosyć dużą moc, to ciekawą opcją jest wykorzystanie zasilacza impulsowego ze starego komputera IBM PC. Zasilacze AT można za bezcen kupić z drugiej ręki (np. na www.allegro.pl). Posiadają one dużą moc - około 150 ... 200 W, co w zupełności wystarcza nawet dla dużych urządzeń cyfrowych. Adaptacja takiego zasilacza nie powinna sprawić wiele kłopotów - można nawet wykorzystać obudowę starego komputera PC-AT:

obrazek obrazek

Oznaczenia kabli

czarny - masa (minus)
czerwony – + 5 V
żółty – + 12 V

Wadą zasilaczy komputerowych jest wentylator, który może powodować uciążliwy hałas.

Trzecia opcja, to zbudowanie od podstaw prostego zasilacza stabilizowanego 5 V. Będą nam potrzebne następujące elementy:

obrazek

Stabilizator LM 7805 jest układem scalonym, w którym umieszczono elektroniczny układ stabilizujący napięcie do wartości 5 V. Układ ten posiada bardzo dobre parametry i jest ogólnie dostępny w sklepach elektronicznych. Zastosowanie tego układu znacznie uprości budowę zasilacza. Dodatkowo układ LM 7805 posiada wewnętrzne zabezpieczenia przed zwarciem oraz przeciążeniem prądowym (maksymalny prąd zasilacza wynosi około 1 A).

Układ posiada trzy wyprowadzenia, które na fotografii obok oznaczyliśmy 1, 2 i 3. Wyprowadzenie środkowe (2) zawsze łączymy z masą układu (minus zasilania). Do wyprowadzenia (1) doprowadzamy napięcie niestabilizowane o wartości ponad 9 V. Z wyprowadzenia (3) pobieramy napięcie stabilizowane 5 V. Jeśli zasilany układ pobiera prąd większy od 0,1 A, to układ LM7805 powinien być umieszczony na odpowiednio dużym radiatorze – w przeciwnym razie zasilacz co pewien czas może się wyłączać przy przegrzaniu układu stabilizatora.

Schemat elektryczny zasilacza stabilizowanego 5 V jest następujący:

obrazek

Więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule "Technika cyfrowa".

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zasilacze impulsowe

Artykuł ten pisany był dosyć dawno. Od tego czasu w elektronice zaszły olbrzymie zmiany. Powszechnie dostępne stały się mikrokontrolery oraz mikrokomputery, które wypierają konstrukcje oparte tylko na układach cyfrowych. Zamiast konstruować duże urządzenie z kilkudziesięciu układów cyfrowych stosuje się pojedynczy mikrokontroler, który jest tańszy, łatwiejszy w montażu oraz bardziej niezawodny. Również w dziedzinie zasilania układów cyfrowych pojawiły się urządzenia, które kiedyś były drogie, duże i kłopotliwe w zastosowaniu.

Układy TTL możesz z powodzeniem zasilać przy pomocy zwykłej ładowarki do telefonu komórkowego. Ładowarka daje stabilne napięcie o wartości 5 V:

Wewnątrz znajduje się mały zasilacz impulsowy. Możesz go ostrożnie wyjąć z obudowy ładowarki (po tej operacji obudowa nadaje się na śmietnik, jeśli była klejona). Wewnątrz znajdziesz płytkę z zasilaczem:

Do płytki ładowarki podłączasz przewody zasilania sieciowego oraz wyprowadzasz przewód zasilania układu cyfrowego. To, gdzie przewody te należy przylutować, zależy od konkretnego modelu ładowarki. Na niektórych płytkach znajdziesz odpowiedni opis. Na innych musisz sam znaleźć odpowiednie punkty lutownicze – jeśli nie potrafisz tego zrobić, poproś jakiegoś elektronika ( pamiętaj, że na płytce są miejsca, w których występuje napięcie sieciowe i nieumiejętne obchodzenie się z płytką ładowarki grozi porażeniem prądem). Możesz również zamontować w swoim układzie gniazdko USB i wykorzystywać zwykły kabel USB do zasilania układu.

W chińskich sklepach internetowych można za kilka złotych kupić gotowe zasilacze impulsowe na różne napięcia:

Na płytce chińskiego zasilacza impulsowego są dobrze oznaczone punkty lutownicze przewodów zasilania sieciowego (N, L) oraz zasilania układów wyjściowych (-, +).

Więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule "Technika cyfrowa".

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2020 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe.