Prilikom konstrukcije nekih minijaturnih namenskih uređaja ukazala se potreba da se na prednjem delu kutije izvede valjana signalizacija prisustva mrežnog napona na pojedinim podsklopovima, što se nije uklapalo sa signalnim sijalicama većih dimenzija, gde spadaju tinjalice, ili neke druge signalne lampe na 220 V. Najbolje rešenje za takve potrebe je ugradnja LED-diode, što za napon od 220 V traži posebno odabranu konstrukciju napajanja. Ubacivanje grec-spoja nije praktično, tako da sam se odlučio za jednu detaljno ispitanu konstrukciju sa otpornikom, blok kondenzatorom i ispravljačkom diodom u spoju sa LED-diodom.
Pre objašnjenja jednostavnog sklopa za konstrukciju, nekoliko osnovnih podataka o LED-diodama ( engleski – LED: Light-Emiting Diode ). To je posebna vrsta poluprovodničke diode koja emituje svetlost kada je propusno polarisana, odnosno kada kroz nju teče struja. Fotoni svetla se emituju prilikom rekombinacije para elektron-šupljina. Takvo svojstvo imaju poluprovodnici. Prvi izveštaj o infracrvenoj emisiji dao je Rubin Braun 1955. godine iz američke Radio-korporacije. Naučnici “Teksas instrumentsa”, Bob Bajard i Gari Pitman, 1961. godine su otkrili da galijum-arsenid pušta svetlo kada ima električne struje, nakon čega su prijavili patent na infracrvenu diodu. Nik Holonja, mlađi iz Dženeral elektrika, prvi je pronašao vidljivi spektar svetleće diode. Boja emitovanog svetla zavisi od vrste poluprovodnika, kao i od primesa u njemu i varira od infracrvenog do ultraljubičastog dela spektra.
Prednosti LED-dioda za signalizaciju su: mala potrošnja struje ( do 0,03 A ), nizak napon napajanja ( 1,2 – 3 V ), male dimenzije pakovanja u okruglom, četvrtastom, trouglastom, ili nekom drugom staklenom ( plastičnom ) kućištu. Ukoliko LED-diodu priključimo na jednosmerni napon, poznavajući dozvoljenu jačinu struje, lako je prema Omovom zakonu izračunati vrednost redno vezanog otpornika ( R ), što znači: R = ( U1-U2 )/I . Ako diodu napajamo sa 12 V ( U1 ), njen deklarisani radni napon je 2 V ( U2 ), deklarisanom jačinom struje od 20 mA, dobijemo računski primenom Omovog zakona, R = ( 12 V-2 V )/0,02 A = 500 oma. Slično postupamo i kod drugih jednosmernih napona. Veoma je važno znati deklarisani radni napon i jačinu struje za diodu koju smo odabrali za signalizaciju. Ako pređemo dozvoljenu jačinu struje za izabranu LED-diodu doći će do njenog pregorevanja. Pri spajanju LED-diode voditi računa o njenom polaritetu ( minus pol je na ravno zasečenom delu plastičnog kućišta, ili na kraćoj strani priključka ).
Pri ispitivanju spoja LED-dode na mrežni napon ( 220 V ) probao sam nekoliko varijanti i kao najbolju sam odabrao spoj sa redno vezanim otpornikom vrednosti preko 200 oma, blok kondenzatorom 200-500 nF, 250 V i sa jednom ispravljačkom diodom. Prednost ovog spoja u odnosu na redni spoj sa otpornikom i ispravljačkom diodom je što se komponente ne greju, ali i kod jednog i kod drugog spoja LED-diode moramo obavezno voditi računa o prisustvu mrežnog napona.
Gore navedeni spoj LED-diode radi stabilno, zauzima malo prostora i, što je najvažnije, prikazuje prisustvo mrežnog napona. Tačke spajanja uzimamo sa mesta uređaja gde dovodimo mrežni napon. Sklop možemo praviti na rednoj klemi, ili na minijaturnoj štampanoj pločici. Jedino moramo voditi računa da snaga otpornika bude jednaka, ili nešto veća od 1 W i da blok kondenzator ima radni napon preko 220 V. Kapacitet odabranog kondenzatora nije kritične vrednosti.
Na kraju, navedimo da LED-diode imaju i druge funkcije, a sve više kao svetleći elementi, što ih čini funkcionalnim i racionalnim izvorima svetlosti. Veoma slabo greju, napajaju se nižim naponima i neke ne trebaju posebno hlađenje. Pakuju se u različitim varijantama, što zavisi od namene i načina korišćenja. Sijalice sa LED-diodama sve više su u upotrebi, mali su potrošači, dugo traju i najveći deo električne energije pretvaraju u svetlosnu, što ih čini ekonomičnim i sve prisutnijim u domaćinstvima. Nekada su, kao i LED-diode, bile veoma skupe, a danas su pristupačne sa cenama i mogu se naći u većini prodavnica elektrotehničke robe.
Ovaj višenamenski uređaj za napajanje, kao rezultat samostalne i jednostavne konstrukcije i nešto dužeg eksperimentisanja sa rezervnim izvorima napajanja, ima dosta široku praktičnu primenu, kako u laboratoriji, tako i u domaćinstvu. Može služiti za napajanje različitih aparata u kombinaciji mreža - baterija, kao što su tranzistorski prijemnici, pojačala male snage, digitalni časovnici, portabl TV i male svetiljke u slučaju nestanka struje u mreži. Njime sam izbacio upotrebu sveće, ili nekada popularne petrolejske lampe u slučaju nestanka struje, što se ranije često dešavalo pri elementarnim nepogodama. Njegova privlačnost je zbog mogućnosti eksperimentisanja sa rezervnim izvorima napajanja koja su nam i danas itekako potrebna. Čak, sa malom dogradnjom, može poslužiti za punjenje litijum jonske baterije mobilnog telefona na mestima gde nemamo mrežnog napona, kada boravimo u prirodi, na izletu i drugim sličnim situacijama. Više puta me ovakvo rezervno napajanje spašavalo pri potpuno praznoj bateriji mobilnog telefona, ali napominjem da sam imao prilagođeno napajanje i za takvu namenu, odnosno odgovarajući kabal za punjenje mobilnog telefona sa rezervnog izvora.
Umesto klasičnih baterija, koje koriste neki uređaji, mogu da se primene olovni (Pb) ili jači nikl-kadmijumski (NiCd) akumulatori. Kada je uključena mreža, baterija, odnosno akumulator, se napaja preko otpornika R2 (Rx), koji je tako dimenzionisan da samo nadoknađuje struju samopražnjenja. Tako npr. za R2 = 5 oma dobijamo da je konstantna struja punjenja Ip = (Ucener – Ubat)/ R2 = (15V – 12V)/ 5 oma = 0,6 ampera ( A ), što odgovara stabilnom punjenju i samodopunjavanju Acu baterije čak nešto većeg kapaciteta. Kod proračuna vrednosti otpornika (Rx) treba voditi računa o struji punjenja i o naponu baterije, što je posebno važno kod NiCd, ili kod litijum jonskih baterija. Svaka akumulatorska baterija na sebi ima označen kapacitet (Ah), napon (V) i struju punjenja (A), što je polazna osnova za bilo koji proračun pre gradnje i praktične primene rezervnog napajanja za različite varijante.
Načelna shema automatskog preklapanja mreža-baterija
Elektronika uređaja ima mrežni transformator ( 220/12V ), grec-spoj fabričkog tipa, dva elektrolita, NPN tranzistor sa hladnjakom, cener diodu i dva otpornika. Tome treba dodati jednu akumulatorsku bateriju većeg kapaciteta koja odgovara za predviđeno rezervno napajanje.
Za sadašnje uslove, umesto tranzistora BD106 preporučujem domaći 2N3055, cener dioda može da bude BZ12, s tim što treba meriti napon na njoj kada se ugradi u uređaj, jer je njena tolerancija prilično velika, pa može ponekad da ne odgovara. Nakon eksperimentisanja, ipak sam se odlučio za cener diodu BZ15, zbog mogućnosti preciznijeg određenja napona i struje dopunjavanja Acu baterije od 12 V, 7 Ah. Za napajanje baterije mobilnog telefona upotrebio sam dobro poznati regulator napona T805 sa konektorom za njeno punjenje. Kolo za punjenje mobilnog telefona nije prikazano na shemi, ali je veoma jednostavno, pošto regulator napona ima tri izvoda, prvi je ulaz ( In ), srednji minus pol, a treći izlazni napon od 5 V ( Out ).
Dioda D3 može da bude bilo koja silicijumska, ili germanijumska ( ispravljačka ) dioda za bar 1 A i inverzni napon od minimalno 100 V, znači da odgovara svaka TV ispravljačka dioda. Iste takve diode mogu da se primene i u ispravljaču. Tranzistor je potrebno ugraditi na aluminijsku pločicu, ili na gotov hladnjak površine 20 cm2 zbog mogućeg grejanja pri većim opterećenjima.
U galeriji slika, pored osnovne pločice sa elektronikom, predstavljeno je rezervno napajanje dve neonke sa njihovom elektronikom, napajanje malog fenjera, digitalnog termometra koji stalno očitava temperaturu i računara sa što manje dodatnih potrošača. Pretvarač napona za neonku sa 12 V jednosmernog na 220 V naizmeničnog napona opisan je u jednom od mojih ranijih članaka. Za duže napajanje računara trebaju jake Acu baterije i pretvarač sa kontrolisanom, odnosno stabilnom frekvencijom ( 50 Hz ), što nije prikazano na shemi rezervnog napajanja, a za njegovu gradnju treba malo više konstruktorskog iskustva.
Zbog čega je još uvek, posle toliko godina od moje prve gradnje, aktuelna konstrukcija ovog višenamenskog uređaja? On, pre svega, u slučaju nestanka struje u mreži bešumno prebacuje napajanje sa mreže na Acu bateriju, a potrošnja za neke uređaje je beznačajno mala, tako da su vidne uštede i racionalna potrošnja energije. Pre svega, izbegnuta je kupovina još uvek skupih alkalnih baterija koje se ne mogu puniti. Jedina skuplja stavka su akumulatorske baterije čija se kupovina isplati za relativno kratko vreme. Puno znači rezervno svetlo u slučaju nestanka struje u mreži, ili kod napajanja digitalnog sata ili elektronskog termometra, za koje treba vremena za podešavanje posle nestanka, odnosno ponovnog dolaska struje. Za akumulatore većeg kapaciteta potrebne su snažnije ispravljačke diode, a danas se grec-spoj može naći veoma povoljno za veće jačine struje. Ako se opredelimo za snažnije akumulatore, koji služe kao rezervno napajanje, potrebno je voditi računa i o snazi mrežnog transformatora kojima se oni pune, odnosno dopunjavaju. Preciznim baždarenjem postigao sam stanje da me NiCd baterija nešto boljeg kvaliteta godinama besprekorno služila za različite namene i eksperimente. Tako sam spojio korisno i praktično sa delovima jeftine elektronike, izuzimajući Acu bateriju, ili olovni akumulator. Kod laboratorijskih eksperimenata sa pretvaračem napona moramo biti veoma oprezni sa visokim naponom, a kod osetljivih uređaja, kao što su portabl televizori i računari, odabranim radnim naponom, odnosno frekvencijom naizmenične struje koja mora biti stabilna. Izuzetno je složena i, po mom mišljenju, nije isplativa konstrukcija pretvarača napona 12V/220 V sa stabilnom frekvencijom ( 50 Hz ), tako da preporučujem da je bolje kupiti fabrički pretvarač za tu namenu, koji se može dosta povoljno naći u specijaliziranim prodavnicama i na domaćem tržištu. Ako se odlučimo za takvu kupovinu, pretvarač napona ima elektroniku za automatsko prebacivanje rezervnog napajanja u slučaju nestanka struje, čime ćemo izbeći zadovoljstvo samostalne konstrukcije prema opisanoj shemi. Za mene je bila zanimljivija samostalna konstrukcija koja traži dosta snalažljivosti, vremena i strpljenja. Na kraju se sve isplatilo, pošto uređaj može da napaja, pojedinačno ili istovremeno, više aparata!
Izvori saznanja:
1. Moja radionica za eksperimente i teoriju fizike,
2. Časopis “Radio amater”, oktobra 1974. godine
Ukoliko nam je potrebno da svakog trenutka znamo kada je napon mreže opao ispod neke standardne vrednosti, ili porastao iznad neke druge vrednosti ( 220V ), a na raspolaganju nemamo voltmetar, tada će nam korisno poslužiti električno kolo koje je prikazano na shemi.
Shema indikatora mrežnog napona (samostalna i proverena konstrukcija)
Kao i običan voltmetar, napravljeni sklop se vezuje paralelno postojećoj liniji mrežnog napona i njime se indicira odstupanje napona u granicama od -10% do +5% od nominalne vrednosti 220 V. Drugim rečima, pad napona ispod 90% ( oko 200 V ) i porast napona iznad 105% ( oko 230 V ) nam signaliziraju dve tinjalice različitih boja ( zelena i crvena ).
Kao što se iz sheme vidi, obe tinjalice ( L1 , L2 ) su priključene na razdelnike napona od 470/280 koma, odnosno 470/260 koma. Ako je napon mreže ispod 200 V ( tj. Ispod 90% od nominalne vrednosti ), ni jedna od dve tinjalice neće svetleti jer je napon na njima nedovoljan da ih “upali”. Ukoliko je napon mreže u granicama od 220 V do 230 V ( odnosno od 90% do 105% nominalne vrednosti od 220 V ) tada će svetleti samo tinjalica L1 ( poželjno je da bude zelene boje ). Ako napon mreže pređe vrednost iznad 230 V ( iznad 105% od svoje nominalne vrednosti ), tada će se upaliti i tinjalica L2 ( poželjno je da bude crvene boje ), što se u praksi, barem, kod nas može desiti i jedna i druga mogućnost ( slika: mereni su naponi na sve tri faze ).
Otpornici su snage disipacije 1/4 do 1/2 W i što veće klase tačnosti ( bar +/- 10%, ako već nemamo na raspolaganju +/-5% ). Veoma je važno odabrati odgovarajuću snagu otpornika.
Na kraju pomenimo i to da, zbog šarolikosti izbora prilikom kupovine komponenti, opisani sklop može indicirati druge vrednosti napona od navedenih, ili da uopšte ne radi. Da ne bi bilo razočarenja nakon konstrukcije, preporučuje se da konstruktor sam, pomoću autotransformatora i potenciometara dimenzioniše otpornike, te ih nakon toga zameni odgovarajućim fiksnim vrednostima, čime se postiže pouzdanost i potpuna sigurnost indikacije mrežnog napona. Prilikom rada, merenja i eksperimentisanja voditi računa o merama bezbednosti od visokog napona, što se odnosi i na kutiju uređaja koja mora biti od plastike, a najbolje je ovu elektroniku ugraditi u kutiju sa osiguračima, ukoliko ima dovoljno mesta za dve tinjalice ( za jednu fazu ), odnosno šest tinjalica ( za sve tri faze ). Praktično rešenje za sve tri faze je da se naprave potpuno identični sklopovi za svaku fazu u zajedničkoj kutiji, što je zahtevnija radnja prilikom konstrukcije, jer su nam potrebna tri slična kompleta i šest tinjalica. Veoma brzo ćemo uočiti da na fazama ( R, S, T ) nisu iste vrednosti napona prema nuli, tako da je “pametno” osetljive uređaje priključiti na fazu koja je najbliža optimalnoj vrednosti ( 220 V ). Da ne bismo premeštali uređaje sa predviđenih mesta u prostoriji, faze se mogu veoma lako međusobno zameniti u kutiji sa osiguračima i tako raspodeliti prema osteljivosti svakog uređaja. Najmanje su osetljiva grejna tela ( grejalice, termo-peći, bojleri ), a najviše TV aparati, adapteri ( punjači za mobilne telefone, laptopove, NiCd i litijum-jonske baterije ) i računari koji ne rade preko UPS-a. Zanimljivo je da klasične, kao i štedljive sijalice, nešto duže rade na naponu koji je ispod, ili blizu 220 V. I za njih možemo odabrati fazni provodnik ( R, S, T ) sa najnižim naponom!