In momentul actual, sursele de alimentare liniare sint mai rar utilizate. In locul acestora se folosesc surse in comutatie care au randamente mai bune si pret mai scazut mai ales in cazul puterilor mari. Totusi, sursele liniare prezinta o serie de avantaje dintre care pot fi mentionate:
Din aceste motive, sursele liniare sint recomandate pentru alimentarea circuitelor cu consum redus (de pina la 10..25W) sau a acelora care sint sensibile la zgomote (amplificatoare audio, receptoare radio, etc.).
In continuare voi prezenta doua tipuri de astfel de surse cit si modul in care se calculeaza componentelor.
Sursele simple genereaza o singura tensiune de alimentare. Schema unei astfel de surse este urmatoarea:
Se utilizeaza un transformator pentru reducerea tensiunii retelei de alimentare la o valoare convenabila. Pentru dimensionarea transformatorului este necesar calculul tensiunii si curentului pe care acesta trebuie sa o furnizeze in secundar. Modalitatea de calcul este destul de complicata si va fi explicata ulterior.
Redresorul utilizat pentru transformarea tensiunii alternative generata de transformator intr-o tensiune continuua este unul clasic de tip "punte". El poate fi realizat fie din 4 diode conectate conform schemei, fie se poate utiliza o punte redresoare integrata. Tensiunea redresata are aspectul celei din figura urmatoare:
Condensatorul conectat la iesirea redresorului are rolul de a "netezi" tensiunea obtinuta din redresor. El reduce variatia tensiunii care se aplica stabilizatorului la valori reduse de ordinul a 0.5...2 V. Acest condensator mai poarta denumirea de condensator de filtrare sau mai simplu filtru. Valoarea lui se poate determina aproximativ intr-o prima etapa cu formula urmatoare:
Stabilizatorul de tensiune are rolul de a asigura o valoare constanta a tensiunii furnizate se sursa indiferent de variatiile tensiunii retelei de alimentare sau ale consumului. Stabilizatorul se poate realiza cu componente discrete sau se poate utiliza un stabilizator integrat. Personal, recomand utilizarea stabilizatoarelor integrate datorita simplificarii pe care o aduc, a pretului scazut si nu in ultimul rind a performantelor foarte bune pe care acestea le au.
In continuare voi prezenta modul in care functioneaza o astfel de sursa indicind si modul de calcul al componentelor. Mai intii ma voi referi la ansamblul transformator-redresor-filtru.
Tensiunea la iesirea transformatorului (din secundarul transformatorului) este o tensiune alternativa sinusoidala cu frecventa egala cu cea a retelei de alimentare (50HZ). Valoarea acestei tensiuni este specifica fiecarui transformator si este influentata de curentul consumat. In general, pentru transformatoare, tensiunea secundarului (din datele de catalog sau cea inscrisa pe acesta) corespunde unui curent consumat egal cu cel la care se obtine puterea nominala a transformatorului. De exemplu un transformator de 12 V cu puterea de 2.4 VA (atentie, puterea indicata corespunde functionarii pe o sarcina pur rezistiva) va debita 12 V in conditiile unui consum de 0.2 A. In gol, acesta tensiune este mai mare, transformatorul prezentind o anumita rezistenta interna. Valoarea acestei tensiuni este:
Pentru cazul de mai sus daca rezistenta interna a transformatorului este de 20 ohmi, atunci tensiunea in gol va fi de 16 V.
In general, rezistenta interna a transformatorului nu este inscrisa pe acesta, insa poate fi determinata simplu masurind tensiunea in gol furnizata de acesta si cunoscind tensiunea si curentul nominal astfel:
In urma redresarii, tensiunea care se obtine este:
Condensatorul de filtrare se incarca din redresor in intervalele de timp cit tensiunea acestuia este mai mare decit cea existenta pe condensator si se descarca pe sarcina in rest. Procesul de incarcare/descarcare este prezentat in figura unde, in graficul de sus sint tensiunea la iesirea redresorului daca ar functiona fara filtru (galben) si tensiunea in cazul functionarii cu filtru (mov). In graficul de jos este prezentat curentul care incarca condensatorul de fitrare.
Procesul de incarcare/descarcare este descris de urmatoarele ecuatii diferentiale:
Rezolvarea analitica a acestor ecuatii este dificila, de aceea am realizat un program care le rezolva prin metode numerice aproximative. Programul REDS.EXE calculeaza tensiunea pe condensatorul de filtrare si curentul de incarcare al acestuia in functie de tensiunea in gol pe transformator, caderea de tensiune pe diodele redresorului, rezistenta interna totala (transformator+diode redresor), capacitatea condensatorului de filtrare si curentul de sarcina IA considerat constant. El poate fi utilizat pentru dimensionarea transformatorului deoarece calculeaza curentul absorbit din secundarul acestuia.
In continuare voi prezenta citeva consideratii referitoare la alegerea unui stabilizator integrat de tensiune. Aceste stabilizatoare sint disponibile in multe variante care difera intre ele prin valoarea tensiunii furnizate a iesire si valoarea maxima a curentului pe care il pot debita. Deasemenea ele sint disponibile in mai multe variante de capsule.
Cele mai cunoscute si utilizate stabilizatoare de tensiune integrate sint cele din familia 78XX. In tabelul urmator sint prezentate caracteristicile citorva circuite din acesta familie
| Tip circuit | Tensiune iesire | Domeniu tensiuni intrare | Curent maxim | Capsula |
| LM7805 | 5 V | 7..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7806 | 6 V | 8..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7808 | 8 V | 10.5..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7810 | 10 V | 12.5..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7812 | 12 V | 14.5..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7815 | 15 V | 17.5..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7818 | 18 V | 21..35 V | 1 A | TO220 |
| LM7824 | 24 V | 27..40 V | 1 A | TO220 |
| LM78L05 | 5 V | 7..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L06 | 6 V | 8.3..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L08 | 8 V | 10.5..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L10 | 10 V | 12.5..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L12 | 12 V | 14.5..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L15 | 15 V | 18..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L18 | 18 V | 21.5..35 V | 0.1 A | TO92 |
| LM78L24 | 24 V | 28..40 V | 0.1 A | TO92 |
Stabilizatorul trebuie ales astfel incit sa aiba tensiunea de iesire egala cu cea dorita si curentul maxim mai mare decit cel la care va fi utilizat. De exemplu, daca se doreste o sursa care sa debiteze 5 V la un curent de 150 mA se alege circuitul LM7805. Pentru a functiona acesta are nevoie de o tensiune la intrare intre 7 V si 35 V. O tensiune mai mica va conduce la obtinerea unei tensiuni la iesire mai mica decit cea nominala de 5 V iar una mai mare va conduce la defectarea circuitului.
Sa luam exemplul de mai sus (5 V/150 mA). S-a ales deja circuitul stabilizator de de tensiune. Acesta solicita la intrare un minim de 7 V. Asta inseamna ca ansamblul transformator-redresor-filtru trebuie sa fie capabil sa furnizeze aceasta tensiune in cele mai defavorabile conditii si anume:
Tensiunea retelei de alimentare poate varia conform cu standardele in vigoare cu -15%...+10% fata de tensiunea nominala (220 V). Aceasta inseamna ca sint admise variatii intre aproximativ 185...240 V. La rindul ei, tensiunea in secundarul transformatorului va avea acceleasi limite de variate.
Curentul maxim este in acest caz de 150 mA, deci se poate trece la dimensionarea transformatorului. Nu exista o metoda de calcul directa, deci se va proceda la o determinare prin incercari. Pentru aceasta se utilizeaza programul REDS.EXE cu care se verifica diferite tipuri de transformatoare.
Alegem un transformator de tipul HTF-4409-1 care are o putere de 2.6 VA la o tensiune nominala in secundar de 9 V. Aceasta inseamna ca valoarea nominala a curentului in secundar este de 290 mA. In gol, acest transformator debiteaza 13.5 V ceea ce conduce la o rezistenta interna calculata de 16 ohmi. Se impune o variatie a tensiunii filtrate de 1 V ceea ce conduce la o valoare a condensatorului de filtrare de 1500 microfarazi. Se utilizeaza o punte redresoare de 1 A care are caderea de tensiune totala pe diode de 1.5 V si o rezistenta interna de 1 ohm.
Se testeaza functionarea la tensiunea minima in retea care conduce la o tensiune in gol pe secundar de 11.5 V si se obtin urmatoarele rezultate:
Deoarece tensiunea minima (7.93 V) este mai mare decit cea minima ceruta de stabilizator acest transformator poate fi considerat bine ales. In cazul in care s-ar fi obtinut o tensiune mai mica decit cea necesara ar fi trebuit incercat un transformator cu tensiune mai mare in secundar. Daca insa s-ar fi obtinut o valoare mult mai mare (de exemplu 12 V) atunci s-ar fi putut incerca si un transformator cu tensiune mai mica.
Pasul urmator este acela de a testa functionarea sursei in celelalte conditii extreme si anume cind tensiuea retelei este cea maxima. Atunci in secundar am avea o tensiune in gol de 14.85 V pentru care cu acelasi program obtinem urmatoarele rezultate:
In acesta situatie se verifica curentul consumat din transformator care trebuie sa fie mai mic decit cel a transformatorului. In acest caz avem 0.226 A care este mai mic decit 0.29 VA cit are transformatorul ales. Daca s-ar fi obtinut un curent mai mare atunci ar fi trebuit ales un transformator cu putere mai mare si ar fi trebuit reluate calculele de la nceput. Invers, daca ar fi fost mult mai mic s-ar fi putut incerca un transformator de putere mai mica refacind si in acest caz calculele.
Tot in acest regim se determina tensiunea nominala a condensatorului de filtrare. Aceasta trebuie sa fie mai mare decit maximul tensiunii obtinute pe condensator (in acest caz 12.56 V). Se poate alege un condensator de 1500 microfarazi la 16 V sau chiar la 25 V pentru o mai mare siguranta. Deasemenea in acest regim se determina puterea disipata sub forma de caldura pe stabilizatorul de tensiune. Acesta se poate calcula cu formula:
In cazul de fata se obtine o putere disipata de 1.095 W. Aceasta putere trebuie sa poata fi disipata fara a supraincalzi stabilizatorul. Pentru evitarea acestui fenomen se utilizeaza radiatoare care sint de fapt niste piese metalice profilate care preiau caldura si o disipa in mediul ambiant.