OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA
Zasilacz z sinusoidalnym poborem prÄ…du z sieci
Andrzej Gil, Marcin Dubert
Powszechnie stosowane zasilacze zawierajÄ… mostek
prostowniczy oraz kondensator o dużej pojemności,
zapewniający filtrację napięcia wyjściowego. Cykliczne
doładowywanie kondensatora powoduje odkształcenie
prÄ…du pobieranego z sieci, co powoduje zmniejszenie
wypadkowego współczynnika mocy i generuje niekorzystne
dla sieci odkształcenia napięcia.
Korzystniejsze własności wykazują układy zasilaczy impulso-
wych, w których między mostkiem prostowniczym i obciążeniem
znajduje się przekształtnik DC/DC  są to tzw. SMR-y (switch mode
rectifier). Stosuje je się coraz częściej do zasilania różnych urzą-
dzeń elektronicznych: komputerów, ładowarek akumulatorów itp.
Rys. 1. Uproszczony schemat zasilacza
W artykule przedstawiono opis i realizacjÄ™ praktycznÄ… oraz badania
takiego modelu zasilacza impulsowego, w którym funkcję korekto-
ra współczynnika mocy pełni przekształtnik DC/DC podwyższający Poglądowy schemat układu, obrazujący zasadę jego działania,
napięcie (boost converter). Układ ten może być również wykorzy- przedstawiono na rysunku 1.
stany po pewnej modyfikacji do zasilania świetlówek jarzeniowych, Układ zawiera dwie pętle sprzężenia zwrotnego:
zapewniając współczynnik mocy cos Ć = 1.  sprzężenie prądowe, zapewniające sinusoidalny pobór prądu
Schemat poglądowy części energetycznej i sterowania zasilacza z sieci i jego graniczną wartość,
przedstawiono na rysunku 1. Napięcie stałe Ud podawane jest na wej-  sprzężenie napięciowe, zapewniające stabilizację wartości śred-
ście układu szeregowo połączonej cewki L i tranzystora T. Załączenie niej napięcia wyjściowego na zadanym poziomie.
tranzystora powoduje gromadzenie energii w polu magnetycznym Prąd pobierany z prostownika id jest porównywany w węz
le su-
cewki  prÄ…d cewki narasta liniowo. W kolejnym cyklu wyÅ‚Ä…czenia mujÄ…cym z wielkoÅ›ciÄ… zadanÄ… iz = "UsinÉt. Wielkość zadanÄ… prÄ…du
tranzystora energia ta jest przekazywana przez diodę D do kondensa- iz określa zewnętrzna pętla sprzężenia napięciowego "U i sinuso-
tora o dużej pojemności. Zgodnie z prawami elektrotechniki, umożli- idalny charakter napięcia wyjściowego mostka prostowniczego.
wia to zmianę napięcia wyjściowego U0 w zakresie Ud 2Ud . W ukła- Wewnętrzna pętla regulacji prądu zapewnia minimalizację różnicy
dzie omawianego zasilacza z
ródłem napięcia Ud jest wyprostowane między chwilową wartością średnią prądu, zadanego chwilową war-
napięcie na wyjściu diodowego mostka prostowniczego. tością średnią prądu dławika linii zasilającej. Prąd linii zasilającej
Prąd pobierany z sieci zawiera tętnienia wynikające z impulsowej id = |iL| ma przebieg ciągły i oscyluje wokół chwilowej wartości
pracy tranzystora kluczującego. W zależności od tego, która wartość średniej prądu idr = iż .
prądu jest kontrolowana w układzie, rozróżnia się układy [1] okre- Wielkość oscylacji prądu określa częstotliwość łączeń tranzystora
ślane skrótowo: kluczującego  wraz z jej wzrostem oscylacje maleją, a największe
 z kontrolą prądu szczytowego dławika i tranzystora, są w szczytowej części półokresu sinusoidy. Wybór maksymalnej
 z kontrolą chwilowej wartości średniej prądu wyprostowanego, częstotliwości łączeń tranzystora jest wynikiem kompromisu mię-
 z kontrolą prądu za pomocą komparatora o zmiennej histerezie, dzy stratami łączeniowymi tranzystora a dokładnością uzyskania
 o prądzie wyprostowanym na poziomie przewodzenia ciągłego sinusoidalnego prądu sieci.
i impulsowego,
Projekt i realizacja zasilacza impulsowego AC/DC
 o nieciągłym prądzie wyprostowanym.
Do realizacji modelu fizycznego wybrano układ z kontrolą chwi- Zaprojektowano i wykonano zasilacz o napięciu wyjściowym
lowej wartości średniej prądu wyprostowanego. Wybór wynika U0 = 42 V oraz napięciu wejściowym Uwej od 21,6 do 26,4 V oraz
z możliwości uzyskania w tym układzie: o maksymalnej mocy wyjściowej P = 200 W. Schemat ideowy za-
out
 ograniczenia prądowego, silacza przedstawiono na rysunku 2. Część energetyczna zawiera:
 stałej częstotliwości kluczowania tranzystora,  mostek prostowniczy KBPC5010,
 dostępu do układu scalonego specjalizowanego do tego rodzaju  tranzystor IRF540FT, o dopuszczalnym prądzie drenu ID = 28 A
sterowania UC3854N. i U(BR)DSS = 100 V,
 diodÄ™ blokujÄ…cÄ… MBR1645 (jest to dioda Schottky ego, o prÄ…dzie
Dr inż. Andrzej Gil, mgr inż. Marcin Dubert  Akademia Morska w Gdyni IF = 10 A i napięciu URM = 25 V),
38 Rok LXXIV 2006 nr 8
 OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA
 dławik ferrytowy na rdzeniu kubkowym M30/21 z 34 zwojami wyraz
nie zgodność faz prądu i napięcia oraz dominujący charakter
drutu o średnicy d = 1,76 mm, podstawowej harmonicznej obu wielkości.
 kondensator specjalny o maÅ‚ych stratach, o pojemnoÅ›ci 330 µF. Przebiegi prÄ…du pobieranego z sieci przez zasilacz klasyczny,
 czujnik prądu o rezystancji RS = 0,025 &!/5 W. składający się z mostka prostowniczego, kondensatora i stabilizato-
Przyjęty sposób sterowania, a więc stałą częstotliwość łączeń tranzy- ra oraz z zasilacza przedstawionego w artykule, zarejestrowane na
stora i kontrolę średniej wartości prądu linii zasilającej, zapewnia specja- oscyloskopie, pokazano na rysunku 5.
lizowany układ scalony UC3854 [3]. Dobór elementów zewnętrznych, Kształt i przebieg prądu pobieranego z sieci przez zasilacz kla-
zapewniający poprawną pracę układu, oparto na przykładowych aplika- syczny (rys. 5  przebieg górny) pokazuje cykliczne ładowanie kon-
cjach. Ustalono częstotliwość oscylatora wewnętrznego na 25 kHz, co densatora, współczynnik zawartości harmonicznych THD = 48,6%.
jest kompromisem między stratami mocy w tranzystorze kluczującym
a wiernością odtworzenia sinusoidalnego prądu wejściowego.
Wyniki pomiarów
W celu weryfikacji poprawności
projektu i modelu fizycznego zasi-
lacza wykonano pomiary testowe
za pomocÄ… oscyloskopu cyfrowego
TDS-210 oraz sond napięciowych
i prądowych. Wyniki pomiarów zo-
stały przetworzone w programie
TCAD 6.2 Plus. Pomiaru charak-
terystyk statycznych dokonano za
pomocą mierników uniwersalnych.
Charakterystyki statyczne zasilacza
przedstawiono na rysunku 3.
Z przebiegu charakterystyki ob-
ciążenia wynika, że układ zapewnia
dobrą stabilizację napięcia, uchyb sta-
tyczny dla znamionowego obciążenia
wynosi ok. 1,5%, a średnia spraw-
ność energetyczna ok. 96%. Cha-
rakterystyka obciążeniowa zasilacza
potwierdza też poprawność działania
układu ograniczenia prądowego.
Zasilacz zawiera układ łagodnego
rozruch (soft-start), czas od momentu
włączenia do uzyskania znamiono-
wego napięcia wynosi ok. 0,4 ms. Na
rysunku 4 przedstawiono przebieg
Rys. 2. Schemat ideowy zasilacza
prądu i napięcia na wyjściu most-
ka prostowniczego  widać na nim
Rys. 3.
Charakterystyki statyczne zasilacza:
a) charakterystyka obciążeniowa,
b) wykres sprawności energetycznej
w funkcji obciążenia
Rok LXXIV 2006 nr 8 39
 OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA
Rys. 4. Przebieg prądu i napięcia na wyjściu mostka prostowniczego Rys. 5. Przebieg prądu pobieranego z sieci przez zasilacz klasyczny
i z przetwarzaniem
W układzie zasilacza z przetwarzaniem prąd zachowuje charakter  wysoka sprawność energetyczna, rosnąca wraz z mocą znamionową,
sinusoidalny, THD = 9,28% i jest w fazie z napięciem (rys. 5). Od-  układ łagodnego rozruchu i ograniczenie prądowe,
kształcenie prądu jest wynikiem przetwarzania napięcia z częstotli-  prosta realizacja układu  jeden układ scalony, dostępny na rynku.
wością 25 kHz. Zasilacz ten praktycznie może być stosowany na moce wyjścio-
we od kilkudziesięciu watów do kilku kilowatów. W szczególności
Wnioski
może służyć do ładowania akumulatorów, jako zasilacz w teleko-
Przedstawiony w artykule zasilacz impulsowy stanowi propozycję munikacji itp. Znane są zasilacze o podobnych cechach, ale w więk-
praktycznego zastosowania znanych z literatury układów. Nowością szości na małe moce.
jest aplikacja układu scalonego UC3854N, który jest przeznaczony
do przetwarzania wyższych napięć, m.in. do zasilania świetlówek
LITERATURA
jarzeniowych [4], a w tym przypadku został wykorzystany do budo-
[1] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT, Warszawa 1998
wy zasilacza niskonapięciowego. Cechy szczególne tego zasilacza
[2] Iturriz F., Ladoux P.: Soft switching AC-DC converter for high applications. Institut
to m.in.:
National Poliytechnique de Tuolouse, 1998
 sinusoidalny pobór prądu z sieci, z korektą współczynnika mocy
[3] http://www.national.com
[4] Rashid M.: Power Electronics. Prentice Hall 2000
cosĆ = 1,