PRZEGLĄD LITERATUROWY WYBRANYCH ZASILACZY BEZTRANSFORMATOROWYCH

W zasilaczach większości urządzeń elektronicznych są stosowane transformatory sieciowe, które są duże, ciężkie i kosztowne. Spotyka się też rozwiązania z przetwornicą z małymi transformatorami z rdzeniami ferrytowymi. Mniej znane są zasilacze niskich napięć, w których nie występują żadne transformatory.

Małe zasilacze beztransformatorowe

Zastosowania

Zasilacze beztransformatorowe mogą być z powodzeniem stosowane w wielu urządzeniach, takich jak: elektroniczne dzwonki, gongi, zegary i budziki, mierniki tablicowe, czujniki przeciwwłamaniowe itp. Warunkiem koniecznym jest, aby człowiek nie dotykał bezpośrednio przewodzących elementów urządzenia będącego pod napięciem. Istnieje wiele urządzeń elektronicznych, w których łatwo można spełnić ten warunek. Wystarczy, że "porozumienie" człowieka z urządzeniem następuje za pomocą izolowanych przycisków, dźwięków, ultradźwięków, obrazów fal radiowych lub podczerwieni. Przykładowo ma to miejsce wówczas, gdy stosuje się sensory, głośniki, mikrofony, wyświetlacze cyfrowe i graficzne, ekrany obrazowe oraz tzw. piloty, czyli nadajniki podczerwieni lub ultradźwięków. Małe zasilacze beztransformatorowe mają niezbyt dużą wydajność prądową, przeciętnie do 100mA, co wystarcza jednak do zasilania wielu urządzeń, zwłaszcza wykonanych z nowoczesnymi układami scalonymi.

Środki bezpieczeństwa

Konieczne jest pełne odizolowanie pracujących zasilaczy beztransformatorowych i dołączonych do nich układów elektronicznych od przebywających w pobliżu osób, aby uniknąć porażenia prądem o napięciu 220V. Zalecane jest stosowanie, jeżeli jest to możliwe, gotowego osprzętu elektrotechnicznego, przystosowanego do napięcia 220V, takiego jak, włączniki przewody izolowane, puszki montażowe itp. Ostrożność należy zachować przy eksperymentach z zasilaczami beztransformatorowymi. Istnieją dwa sposoby zwiększenia bezpieczeństwa przy próbach laboratoryjnych. Pierwszy sposób, to zastosowanie transformatora bezpieczeństwa 220V/220V. Drugi - to sprawdzenie za pomocą tzw. neonówki (śrubokręta ze wskaźnikiem napięciowym) czy badany układ jest połączony z przewodem zerowym sieci elektrycznej. Jeżeli neonówka dotknięta do masy badanego układu zaświeci się, należy odwrotnie włożyć wtyczkę do gniazdka sieciowego.

Zasady działania

Mały zasilacz beztransformatorowy składa się z czterech zasadniczych członów:

- reduktora napięcia,

- prostownika z ogranicznikiem napięcia,

- filtru,

- stabilizatora napięcia.

Funkcję reduktora napięcia najczęściej spełnia kondensator. Kondensator dla częstotliwości 50Hz jest elementem praktycznie bezstratnym, nie nagrzewa się w czasie pracy. Kondensator wprowadza przesunięcie fazy 90 stopni między prądem a napięciem, ale w zasilaczu jest to bez znaczenia. Inne podzespoły, stosowane jako reduktor napięcia, mają wyraźne wady: dławik jest duży i ciężki, rezystor wydziela dużo ciepła, prostownik tyrystorowy powoduje silne zakłócenia radioelektryczne. Praktyczny układ reduktora napięcia przedstawiono na rys.2.1 [13]. Zawiera on oprócz kondensatora dwa rezystory. Rezystor R1 ogranicza prąd w momencie dołączenia zasilania do sieci elektrycznej. Ponadto rezystor ten spełnia funkcje bezpiecznika, przepala się wówczas, gdy nastąpi zwarcie w kondensatorze C1. Rezystancja i moc tego rezystora powinny być tak dobrane, aby w normalnych warunkach moc tracona w rezystorze R1 wynosiła 30...50% jego mocy znamionowej. Stosowanie bezpiecznika topikowego w takim zasilaczu nie jest konieczne. Rezystor R2 służy tylko do rozładowania kondensatora C1 po odłączeniu zasilacza od sieci. Brak rezystora R2 może spowodować lekkie porażenie prądem osoby, która po wyjęciu wtyczki sieciowej dotknie ręką do kołków wtyczki.

Rys.2.1. Schemat typowego zasilacza beztransformatorowego.

W małych zasilaczach są stosowane dwa rodzaje prostowników, jednopołówkowe i dwupołówkowe. Prostownik jednopołówkowy jest prostszy, ale ma mniejszą wydajność prądową przy tej samej pojemności kondensatora C1. Prostownik beztransformatorowy niskich napięć powinien być połączony z ogranicznikiem napięcia. Brak tego ogranicznika powoduje, przy braku poboru prądu z zasilacza, niekontrolowany wzrost napięcia na wyjściu i uszkodzenie jakiegoś podzespołu.

Praktyczne układy prostowników z ogranicznikiem zamieszczono na rys.2.2 [13]. W przypadku prostowników jednopołówkowych stosuje się podwajacz napięcia. Układ z rys.2.2b jest korzystniejszy od układu z rys.2.2a, gdyż spełniając te same funkcje, zawiera o jedną diodę mniej.

Rys.2.2. Różne odmiany prostowników jedno-i dwupołówkowych z ogranicznikiem napięcia.

W prostownikach dwupołówkowych stosuje się typowy mostek czterodiodowy zakończony diodą Zenera, spełniającą funkcje ogranicznika napięcia (rys.2.2c). Omawiane zasilacze mogą być wykonane na bardzo szeroki zakes napięć wyjściowych; dwupołówkowe na napięcia od 0 250V, jednopołówkowe 0 500V. Maksymalny prąd wyjściowy zależy przede wszystkim od kondensatora C1. Prąd wyjściowy przy
przy zastosowaniu prostownika jednopołówkowego może dochodzić do 15mA. Zastosowanie kondensatora 1.5 F prostownika dwupołówkowego umożliwia zwiększenie prądu wyjściowego do 100mA. Kondensator C1 powinien mieć dostateczną wytrzymałość napięciową; należy stosować kondensatory z napisem 250V napięcia zmiennego lub 400V napięcia stałego. Dioda Zenera powinna mieć moc strat większą od jej napięcia pomnożonego przez maksymalny prąd wyjściowy zasilacza. Właściwie trzeba stosować diody Zenera małej i średniej mocy od 0.3W (w zasilaczu 5V/30mA) do kilku watów (w zasilaczu 24V/100mA). Na wyjściu prostownika trzeba stosować kondensator elektrolityczny, który jest filtrem wygładzającym tętnienia napięcia wyjściowego. W niektórych zastosowaniach, np. w prostownikach do ładowania akumulatorów, kondensator ten jest zbędny. Jeżeli jest wymagana bardzo dokładna stabilizacja napięcia wyjściowego, na wyjściu prostownika należy zastosować typowy scalony stabilizator napięcia stałego.

Przykłady wykonania zasilaczy

Schemat zasilacza do ładowania akumulatorów, stosowanego w latarkach typu Elektronika B6-03, masowo przywożonych z krajów byłego ZSRR przedstawiono na rys.2.3 [13]. Zasilacz ten ma wadę, jeżeli zapomni się o jego wyłączeniu po kilku godzinach, akumulatory mogą naładować się do napięcia tak wysokiego, że zostaną rozsadzone. Wadę tę można usunąć przez zastąpienie zwykłej diody krzemowej D1 diodą Zenera małej mocy na napięcie 4.7V.

Rys.2.3. Schemat prostownika w latarce Elektronika B6-03.

Schemat zasilacza 12V/30mA, którym można zasilać np. układy scalone CMOS przedstawiono na rys.2.4, a na rys.2.5 schemat zasilacza 5V/50mA, o dokładnej stabilizacji, do układów scalonych TTL.

Rys.2.4. Schemat zasilacza beztransformatorowego 12V/30mA.

Rys.2.5. Schemat beztransformatorowego zasilacza 5V/50mA.

Beztransformatorowy zasilacz sieciowy

Schemat elektryczny zasilacza beztransformatorowego przedstawiono na rys.2.6 [14]. Na wejściu zastosowano obciążenie impedancyjne w postaci kondensatora C1. Rezystor R1 ma na celu rozładowanie kondensatora C1 po wyłączeniu zasilania. Wyprostowane napięcie na mostku D1-D4 jest obniżone na diodzie Zenera-D5. Po diodzie Zenera i kondensatorach C2 i C3 zastosowano stabilizator napięcia z serii 78XX. Od pojemności C1 zależy wydajność prądowa zasilacza, w związku z tym kondensator ten powinien mieć wartość w przedziale 100nF 2,2 F. W przedstawionym układzie, przy pojemności C1 równej 1 F, maksymalny prąd wynosi ok. 50mA.

Rys.2.6. Schemat elektryczny zasilacza sieciowego.

Od zastosowanej diody Zenera zależy natomiast napięcie wyjściowe zasilacza. Można zastosować diody o napięciu regulacji do około 24V. Do zastosowanej diody Zenera należy dobrać odpowiedni stabilizator, np. dla diody 9.1V należy zastosować stabilizator 5V. Przedstawiony zasilacz jest więc dość uniwersalny i może dostarczyć szeroki przedział napięć.

Środki bezpieczeństwa

Należy pamiętać, że układ jest podłączony bezpośrednio do sieci, dlatego należy zachować szczególną ostrożność podczas montażu oraz stosować odpowiednie elementy. Dotyczy to przede wszystkim kondensatora C1 oraz diod D1-D4. Można zastosować dwa sposoby zabezpieczenia zasilacza przed wystąpieniem napięcia sieci na wyjściu [14]:

1) za wyjściem stabilizatora zastosować bezpiecznik, a za nim diodę Zenera o napięciu przewodzenia przewyższającym napięcie wyjściowe stabilizatora (rys.2.7).

Rys.2.7. Schemat zabezpieczenia zasilacza.

2) umieścić bezpiecznik na wejściu układu, przed kondensatorem C1 (rys.2.8).

Rys.2.8. Schemat zabezpieczenia zasilacza.

W przypadku pierwszym, w razie wystąpienia napięcia sieci na wyjściu (np. przebicie kondensatora C1), zabezpieczająca dioda Zenera zacznie przewodzić i bezpiecznik przepali się. W ten sposób dopływ napięcia sieci zostanie przerwany, ale niestety zasilacz ulegnie zniszczeniu. W drugim przypadku zabezpieczenie zadziała prawidłowo, a układ nie ulegnie zniszczeniu. Jeżeli zastosowany bezpiecznik będzie o zbyt dużym prądzie, to dioda D5 zostanie zniszczona. Najlepiej zastosować jednocześnie obydwa zabezpieczenia zasilacza, gdyż w razie uszkodzenia drugiego zabezpieczenia zadziała pierwsze. W układach praktycznych stosuje się zwykle rezystor rzędu kilkudziesięciu -kilkuset omów, połączony szeregowo z kondensatorem C1. Ma to na celu uniknięcie zwarciowego impulsu prądowego przez diody prostownicze w przypadku, gdy dołączenie do sieci następuje w szczycie półfali, kondensatory są puste i bez wspomnianego rezystora prąd początkowy wielokrotnie przekracza dopuszczalne wartości IFM zastosowanych diod.

OPIS KONSTRUKCJI ZASILACZA BEZTRANSFORMATOROWEGO

Koncepcja układu

Beztransformatorowy zasilacz napięcia stałego powinien spełniać następujące podstawowe wymagania:

- dostarczać napięcia o stałej wartości niezależnej od zmian temperatury i prądu obciążenia,

- tłumić napięcia tętnień tzn. amplituda składowych zmiennych powinna być jak najmniejsza,

- mieć zabezpieczenie prądowe tj. układ automatycznego ograniczenia prądu,

- mieć możliwie dużą sprawność,

- nie powinien generować szumów akustycznych,

- mieć małą masę i wymiary.

Oczywiste jest, że przy praktycznej realizacji nie można równocześnie spełnić wszystkich tych wymagań, dlatego też należy dążyć do rozsądnego kompromisu. W zasilaczach o konstrukcji kombinowanej stosuje się zasilacz wstępny jako stabilizator impulsowy. Umożliwia to utrzymanie napięcia doprowadzonego do tranzystora regulacyjnego stabilizatora o działaniu ciągłym na stałym poziomie. Tym samym straty elementu regulacyjnego są mniejsze. Wstępne stabilizatory impulsowe mają małe straty, a minimalizacja strat stabilizatora o działaniu ciągłym pozwala na osiągnięcie wyższej sprawności całego układu.

Opis ogólny zasilacza wstępnego

Zasilacz wstępny jest typowym układem wykorzystującym stabilizację impulsową z wykorzystaniem tyrystora. Głównym elementem na którym wydziela się moc tracona jest tyrystor. Napięcie przewodzenia takiego elementu dla prądu >1A jest równe około 1V. Stąd też możemy policzyć moc traconą na tyrystorze.

Działanie układu:

Po włączeniu zasilacza do sieci, napięcie narasta ładując przez diodę D1, pojemność
. Gdy napięcie na tej pojemności wzrośnie powyżej Uz diody Zenera, gałęzią DZ1, R2 popłynie prąd, który otworzy tyrystor. Zwierając prąd wejściowy do masy, nie dopuści on do wzrostu napięcia powyżej
, gdzie UG to napięcie przewodzenia złącza bramka - katoda tyrystora, które dla zastosowanego tyrystora wynosi ok. 0.12V. Napięcie stabilizowane w tym układzie jest równe UZ, a tętnienia zależą od prądu pobieranego z tego zasilacza i od pojemności
. Można również posłużyć się wzorem do obliczania pojemności w zależności od tętnień.

Rys. 3.1. Schemat zasilacza wstępnego przed modyfikacją.

Ponieważ opisany wyżej zasilacz był w stanie wytrzymać prąd ok. 30mA, konieczna stała się modyfikacja jego do naszych potrzeb. Po stwierdzeniu, że rezystor R grzeje się, i to w znaczny sposób, a zmiana kondensatora C nie wpływa znacząco na podwyższenie prądu, zmodyfikowano układ elementów przed mostkiem prostowniczym. Teraz kondensator C i rezystor R zostały włączone równolegle do sieci. Z powodów bezpieczeństwa do drugiego bieguna sieci został podłączony również kondensator C. Kondensatory stanowią swego rodzaju pseudo izolację galwaniczną. Podczas tych zmian uzyskano wzrost prądu obciążenia do ok. 150mA (max). Rezystor R natomiast nie grzeje się tak jak w pierwszym przypadku. Zmiana ta także pociągnęła za sobą znaczne zwiększenie pojemności baterii kondensatorów C, co było konieczne dla uzyskania większego prądu. Dla lepszego zabezpieczenia układu zastosowane zostało zabezpieczenie w postaci diody Zenera na wyjściu z zasilacza, połączonej z bezpiecznikiem. W momencie przekroczenia napięcia przewodzenia diody (9V) prąd wyjściowy zostanie zwarty do masy, co również spowoduje przepalenie się bezpiecznika i odcięcie wyjścia od sieci.

Rys. 3.2. Zasilacz wstępny po modyfikacji.

Do rozładowania baterii kondensatorów C zastosowano rezystory Rc, które skutecznie je rozładowują po odłączeniu układu od sieci.

Opis stabilizatora końcowego

Układ L200 jest produkowany w trzech rodzajach obudów, które różnią się od siebie sposobem montażu na płytce drukowanej. Schemat wyprowadzeń układu L200 podano na rys.3.3. Przedstawiony jest tu wewnętrzny schemat układu z zaznaczonymi najważniejszymi "blokami".

Rys. 3.3. Schemat blokowy układu L200.

Jak widać w strukturę układu zostały wbudowane wszystkie możliwe zabezpieczenia, należą do nich:

- podstawowe zabezpieczenie antyzwarciowe o regulowanym prądzie ograniczenia,

- zabezpieczenie termiczne, działające zarówno jak źródło napięcia referencyjnego dla układu stabilizacyjnego, jak i na bezpiecznik prądowy, prąd zwarciowy maleje ze wzrostem temperatury,

- zabezpieczenie typu S.O.A.R. tranzystora wyjściowego mocy, zapewniające temu tranzystorowi warunki pracy pod hiperbolą mocy traconej w kolektorze.

Na rys.3.4 przedstawiona jest aplikacja układu L200, zastosowanego jako zasilacz napięciowy z ograniczeniem prądu.

Rys. 3.4. Schemat zasilacza napięciowego z układem L200.

Schemat elektryczny stabilizatora końcowego

Rys.3.6. Schemat elektryczny stabilizatora końcowego.

Przekształtnik z przerywaczem tranzystorowym

Przekształtnik impulsowy

Jak sama nazwa wskazuje służy on do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej regulowanej wartości średniej napięcia. Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ci±g impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie. Regulacji wartości napięcia wyjściowego możemy dokonać w dwojaki sposób. Po pierwsze poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich częstotliwości (regulacja współczynnika wypełnienia - z ang. Pulse Width Modulation PWM). Drugi sposób polega na odwróceniu ról tzn. zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu.

Schemat przerywacza tranzystorowego

Rysunek przedstawia podstawowy układ pracy przerywacza tranzystorowego. Tranzystor bipolarny mocy pracuje tu jako klucz (załączony - wyłączony), stany pośrednie w tym zastosowaniu nie s± wykorzystywane. Sterowany jest przebiegiem prostokątnym o odpowiednich parametrach (częstotliwość, współczynnik wypełnienia) tak, aby uzyskać pożądane napięcie na odbiorniku. Dioda poł±czona równolegle do odbiornika służy do zapewnienia drogi dla prądu w momencie wyłączenia klucza. Zapobiega to wymuszonemu prądowi przewodzenia tranzystora czy powstawaniem przepięć, które są groźne dla klucza (przebicie). Zasadniczo stosowana jest tutaj dioda szybka, choć układ pomiarowy umożliwiał również włączenie diody prostowniczej. Indukcyjność L_Z reprezentuje impedancję obwodów zasilania. Układ pomiarowy umożliwiał jej zwarcie w ten sposób mogli¶my przeanalizować wpływ poszczególnych elementów na pracę układu - o czym dalej.

Regulacja poprzez zmianę częstotliwo¶ci

Szkic charakterystyk:

Przy niskiej częstotliwości przełączania występuje duża warto¶ć składowej zmiennej (pulsacje napięcia, prądu I).

Regulacja poprzez zmianę współczynnika wypełnienia

Przykładowe charakterystyki:

Mała składowa zmienna występuje przy niskich i wysokich częstotliwościach przełączania. Maksimum występuje przy współczynniku wypełnienia równym 50%.

Wyboru odpowiedniego (ze względu na tętnienia) sposobu regulacji dokonujemy zależnie od potrzeb.

Komutacja

Przełączanie prądu obciążenia pomiędzy diod± a tranzystorem i na odwrót ...

Przełączanie (komutacja) tranzystor - dioda.

Suma prądów cały czas jest stała i równa prądowi odbiornika:

W tym przypadku przyrost prądu w przybliżeniu wynosił:

Czas opóźnienia wynosił: 1,82s. Komutacja szybka (tzn. z zastosowaniem diody szybkiej połączonej równolegle do odbiornika oraz przy włączeniu indukcyjności L_z) trwała ok.: 2,04s.

Komutacja dioda - tranzystor.

Tu analogicznie jak poprzednio suma prądów jest stała.

Opis	Czas komutacji [s]	Przetężenie [% prądu roboczego]
D - dioda prostownicza LZ - zwarte	4,15	200
D - prostownicza z dławikiem LZ	8,25	100
Komutacja szybka: D - dioda szybka z dławikiem LZ	3,40	30

Przy zastosowaniu zwykłej diody prostowniczej (wolnej) przetężenia prądu sięgaj± 200% prądu roboczego. Dlatego w praktyce w tym miejscu nigdy w tym miejscu nie stosuje się zwykłych diod.

Zabezpieczenie klucza

W powyższym układzie bez zastosowania diody Zenera DZ napięcie na kluczu (tranzystorze) z pominięciem wpływu L_Z sięga 25% napięcia roboczego na tranzystorze. Natomiast uwzględnienie L_Z powiększa tę warto¶ć do 200%.

Konieczne byłoby wtedy zastosowanie klucza (tranzystora) z 3 krotnym zapasem napięciowym. Jest to bardzo kosztowne, ale przetężenie zależy również od wartości prądu. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie wyżej wymienionej diody Zenera. Jest to również element stosunkowo drogi wobec czego stosuje się inne metody ograniczania przetężenia (elementy progowe).

---