4. Az adott kapcsolási rajz alapján magyarázza el kollégájának az analóg, disszipatív elven működő tápegységek felépítését! Ismertesse a hálózati transzformátor felépítését, működési elvét! Mutassa be az összefüggéseket a transzformátor villamos mennyiségei között! Mutassa be a párhuzamos és a soros feszültségstabilizálás módszereit! Felkészülése és felelete során használja az alábbi információkat!

A technika jelenlegi fejlettségi szintjén már szinte alig van olyan villamos működtetésű eszköz, berendezés, amelyekben ne lenne tápegység. De mi is az a tápegység? Az elektronikus készülékek és berendezések üzemeltetéséhez szükséges villamos energia biztosítását szolgáló eszközöket, tápegységnek (adott esetben csak egy fekete doboznak) nevezzük. A tápegység tehát a hálózati feszültségből (U=230V; f=50Hz) állít elő az elektronikai készülék számára szükséges DC jelet (de nem mindig csak DC jelet). Ez a DC jel lehet szűretlen, vagy szűrt, stabilizált, vagy stabilizálatlan, attól függően, hogy milyen igényes eszköz tápfeszültség ellátását kell biztosítania. Mint az ábrán látható, a stabilizált disszipatív elven működő, lineáris üzemű tápegység az alábbi fő részekből áll. 1. transzformátor, 2. egyenirányító, 3. szűrőegység és 4. stabilizátor. Az energiaáramlás irányát figyelembe véve először a transzformátor felépítéséről és működéséről kívánok beszélni. A transzformátor egy álló villamos gép, amelynek alapesetben mozgó alkatrésze nincs. Felépítését tekintve egy zárt és lemezelt vasmagból (a vasmag speciálisan kohászati eljárással készített ferromágneses anyag) és a vasmagon elhelyezkedő primer és szekunder tekercsekből áll. Feladata, hogy a frekvencia állandósága mellett a váltakozó jel amplitúdóját csökkentse vagy növelje. Ebből következik, hogy a transzformátor csak időben váltakozó (és nem változó!) jelek átalakítására alkalmas. A transzformátor működésében jelen van a nyugalmi indukció, a kölcsönös indukció és az önindukció. Ha a transzformátor primer tekercsére U1 feszültséget kapcsolunk, akkor az I0 üresjárási áramot hajt át a tekercsen, ami felépíti a transzformátor Φps főfluxusát.

A főfluxus átjárja az N2 menetszámú szekunder tekercset és abban Ui2 feszültséget indukál. Ez a feszültség terhelés hiányában éppen az U2 kapocsfeszültséggel egyezik meg. Amennyiben terheljük a transzformátor szekunder tekercsét, azon I2 áram indul meg, ami létrehozza a szekunder Φss szórt fluxust. Ez a szórt fluxus ellentétes irányú, mint a főfluxus és azt lerontani igyekszik. A csökkenő főfluxus hatására csökken a primer indukált feszültség, tehát a megnövekedett U1 és Ui1 közötti különbség nagyobb primer áramot hajt át a primer tekercsen. Ennek eredményeként a főfluxus visszaáll közel az eredeti értékre. Fontos megjegyezni, hogy a transzformátor megváltoztatja (φ=180o) az átalakítandó feszültség fázis helyzetét. A transzformátor legfontosabb jellemzője az áttétele, ami a primer és szekunder tekercsek menetszámainak a hányadosa, tehát: Az áttételt kifejezhetjük a Ui1 és Ui2 hányadosaként is, ez megegyezik a menetszám áttétellel, tehát:a=N1/N2. Ha viszont az áttételt a kapocsfeszültségek hányadosaként fejezzük ki, akkor az a hányados már nem

teljesíti az előző módon meghatározott áttételt, tehát:a=U1/U2=N1/N2. Az áttételt meghatározhatjuk az áramok hányadosaként is, figyelembe véve a primer és szekunder teljesítmények egyenlőségét (a veszteségektől eltekintünk).

Még egyfajta áttétel meghatározás, amit az elektronikában használunk, az impedancia áttétel törvénye. Ez a transzformátor terhelésekor lényeges. Tehát: R₁=U₁/I₁, R₂=U₂/I₂ és R₂=R_t

R₁=a² * Rt Tehát a transzformátort tápláló generátor, a szekunder oldalon lévő terhelő ellenállást a²-szer nagyobbnak érzékeli. Ez alapján mondható, hogy a transzformátor alkalmas impedancia illesztésre. A transzformátor feszültségeinek és áramainak az értékei tekintetében alapszabályként elmondható, hogy a teljesítmények egyenlőségét kell figyelembe venni, ill. abból kell kiindulni.

A tápegységek következő eleme az egyenirányító. Az egyenirányító kapcsolásokat a fázisszám (F), az útszám (U), és az ütemszám (Ü) szerint csoportosítjuk. Egyfázisú rendszert feltételezve, így megkülönböztetünk 1F1U1Ü, 1F1U2Ü, és 1F2U2Ü egyenirányító kapcsolásokat.

Ez az 1F1U1Ü kapcsolás. Az alap jelalak ábrán látható, hogy a váltakozó jelnek csak a pozitív fél periódusai vannak egyenirányítva. A búgófeszültség értelmezéséhez már egy C1 jelű puffer kondenzátor is van az áramkörben (így látványosabb és a puffer kondenzátor hatása is magyarázható).

A búgófeszültség mögött fizikailag az egyenirányított jel hullámossága rejlik, (lásd az oszcilloszkópos jelalakot). A szűréssel és a puffer kondenzátorral a búgófeszültség értéke csökkenthető. Ezt fejezi ki az Ub,p-p meghatározását leíró összefüggés is. E szerint kétütemű egyenirányítás esetén:

Az összefüggésből kiderül, hogy Cp értéke döntő fontosságú. Ugyanakkor az is látható, hogy iki értéke lineárisan befolyásolja Ub nagyságát. Ha iki értéke növekszik, akkor Ub,p-p értéke azért lesz nagyobb, mert az „energia passzív” szakaszon a puffer kondenzátorból több töltést veszünk ki, tehát a kondenzátort „jobban kisütjük”, és így a kondenzátor feszültsége kisebb lesz. Ez azt jelenti, hogy az „energia aktív” szakaszban alacsonyabb feszültségről kell elkezdeni a Cp-t tölteni. Így viszont Ub,p-p értéke is nagyobb lesz.

Az elemi stabilizátor (Zener diódás stabilizátor) mindössze 2 db alkatrészből áll, ahogy ez a kapcsolási rajzon is látható: R₁, D₁.

Az integrált áramkörös stabilizátor, pl. az IC1 és IC3. Mint látható három kivezetése van. A Be, a Ki és a GND. A GND-t attól függően, hogy milyen kimeneti feszültségre van szükség a kimeneten köthetjük föld potenciálra, vagy attól eltérő más referencia feszültségre. Ha a GND-t földpotenciálra kapcsoljuk, akkor a kimeneten a stabilizátor gyári adatlapja szerinti kimeneti feszültséget nyerjük. Ha a GND-t a földpotenciáltól magasabb referencia feszültségre kapcsoljuk, akkor a kimeneten az integrált áramkör gyári kimeneti feszültsége + a referencia feszültség jelenik meg. Pl. nézzük a 7805-ös IC-t. Ha a GND földön van, akkor Uki=+5V, ha a GND +4V-on van, akkor Uki=+9V. Másik fontos tulajdonsága az integrált áramkörös feszültség stabilizátoroknak, hogy a gyárilag megadott kimeneti feszültséget csak akkor tudják stabilan szolgáltatni, ha a bemeneti feszültséget minimum 3V-al magasabb szinten biztosítjuk, mint a kívánt kimeneti feszültség.

Felvetődik a kérdés, hogy a 7815-ös IC-t tápláló transzformátor 15V-os szekunder feszültsége mégis, hogy elegendő a tápláláshoz? Úgy, hogy az egyenirányító híd után elhelyezett C3 kondenzátor az egyenirányított jel csúcsértékére töltődik, ami viszont kb. 20V. Ez táplálja a 7815-ös IC-t.