PRZEGLĽD LITERATUROWY WYBRANYCH ZASILACZY BEZTRANSFORMATOROWYCH

W zasilaczach większo�ci urzšdzeń elektronicznych sš stosowane transformatory sieciowe, które sš duże, ciężkie i kosztowne. Spotyka się też rozwišzania z przetwornicš z małymi transformatorami z rdzeniami ferrytowymi. Mniej znane sš zasilacze niskich napięć, w których nie występujš żadne transformatory.

Małe zasilacze beztransformatorowe

Zastosowania

Zasilacze beztransformatorowe mogš być z powodzeniem stosowane w wielu urzšdzeniach, takich jak: elektroniczne dzwonki, gongi, zegary i budziki, mierniki tablicowe, czujniki przeciwwłamaniowe itp. Warunkiem koniecznym jest, aby człowiek nie dotykał bezpo�rednio przewodzšcych elementów urzšdzenia będšcego pod napięciem. Istnieje wiele urzšdzeń elektronicznych, w których łatwo można spełnić ten warunek. Wystarczy, że "porozumienie" człowieka z urzšdzeniem następuje za pomocš izolowanych przycisków, d�więków, ultrad�więków, obrazów fal radiowych lub podczerwieni. Przykładowo ma to miejsce wówczas, gdy stosuje się sensory, gło�niki, mikrofony, wy�wietlacze cyfrowe i graficzne, ekrany obrazowe oraz tzw. piloty, czyli nadajniki podczerwieni lub ultrad�więków. Małe zasilacze beztransformatorowe majš niezbyt dużš wydajno�ć pršdowš, przeciętnie do 100mA, co wystarcza jednak do zasilania wielu urzšdzeń, zwłaszcza wykonanych z nowoczesnymi układami scalonymi.

�rodki bezpieczeństwa

Konieczne jest pełne odizolowanie pracujšcych zasilaczy beztransformatorowych i dołšczonych do nich układów elektronicznych od przebywajšcych w pobliżu osób, aby uniknšć porażenia pršdem o napięciu 220V. Zalecane jest stosowanie, jeżeli jest to możliwe, gotowego osprzętu elektrotechnicznego, przystosowanego do napięcia 220V, takiego jak, włšczniki przewody izolowane, puszki montażowe itp. Ostrożno�ć należy zachować przy eksperymentach z zasilaczami beztransformatorowymi. Istniejš dwa sposoby zwiększenia bezpieczeństwa przy próbach laboratoryjnych. Pierwszy sposób, to zastosowanie transformatora bezpieczeństwa 220V/220V. Drugi - to sprawdzenie za pomocš tzw. neonówki (�rubokręta ze wska�nikiem napięciowym) czy badany układ jest połšczony z przewodem zerowym sieci elektrycznej. Jeżeli neonówka dotknięta do masy badanego układu za�wieci 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 najczę�ciej spełnia kondensator. Kondensator dla częstotliwo�ci 50Hz jest elementem praktycznie bezstratnym, nie nagrzewa się w czasie pracy. Kondensator wprowadza przesunięcie fazy 90 stopni między pršdem a napięciem, ale w zasilaczu jest to bez znaczenia. Inne podzespoły, stosowane jako reduktor napięcia, majš wyra�ne 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 pršd w momencie dołšczenia zasilania do sieci elektrycznej. Ponadto rezystor ten spełnia funkcje bezpiecznika, przepala się wówczas, gdy nastšpi 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 odłšczeniu zasilacza od sieci. Brak rezystora R2 może spowodować lekkie porażenie pršdem osoby, która po wyjęciu wtyczki sieciowej dotknie rękš do kołków wtyczki.

Rys.2.1. Schemat typowego zasilacza beztransformatorowego.

W małych zasilaczach sš stosowane dwa rodzaje prostowników, jednopołówkowe i dwupołówkowe. Prostownik jednopołówkowy jest prostszy, ale ma mniejszš wydajno�ć pršdowš przy tej samej pojemno�ci kondensatora C1. Prostownik beztransformatorowy niskich napięć powinien być połšczony z ogranicznikiem napięcia. Brak tego ogranicznika powoduje, przy braku poboru pršdu z zasilacza, niekontrolowany wzrost napięcia na wyj�ciu i uszkodzenie jakiego� 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 spełniajšc te same funkcje, zawiera o jednš diodę mniej.

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

W prostownikach dwupołówkowych stosuje się typowy mostek czterodiodowy zakończony diodš Zenera, spełniajšcš funkcje ogranicznika napięcia (rys.2.2c). Omawiane zasilacze mogš być wykonane na bardzo szeroki zakes napięć wyj�ciowych; dwupołówkowe na napięcia od 0 250V, jednopołówkowe 0 500V. Maksymalny pršd wyj�ciowy zależy przede wszystkim od kondensatora C1. Pršd wyj�ciowy przy
przy zastosowaniu prostownika jednopołówkowego może dochodzić do 15mA. Zastosowanie kondensatora 1.5 F prostownika dwupołówkowego umożliwia zwiększenie pršdu wyj�ciowego do 100mA. Kondensator C1 powinien mieć dostatecznš wytrzymało�ć napięciowš; należy stosować kondensatory z napisem 250V napięcia zmiennego lub 400V napięcia stałego. Dioda Zenera powinna mieć moc strat większš od jej napięcia pomnożonego przez maksymalny pršd wyj�ciowy zasilacza. Wła�ciwie trzeba stosować diody Zenera małej i �redniej mocy od 0.3W (w zasilaczu 5V/30mA) do kilku watów (w zasilaczu 24V/100mA). Na wyj�ciu prostownika trzeba stosować kondensator elektrolityczny, który jest filtrem wygładzajšcym tętnienia napięcia wyj�ciowego. W niektórych zastosowaniach, np. w prostownikach do ładowania akumulatorów, kondensator ten jest zbędny. Jeżeli jest wymagana bardzo dokładna stabilizacja napięcia wyj�ciowego, na wyj�ciu 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 wyłšczeniu po kilku godzinach, akumulatory mogš naładować się do napięcia tak wysokiego, że zostanš rozsadzone. Wadę tę można usunšć przez zastšpienie zwykłej diody krzemowej D1 diodš 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 wej�ciu zastosowano obcišżenie impedancyjne w postaci kondensatora C1. Rezystor R1 ma na celu rozładowanie kondensatora C1 po wyłšczeniu 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 pojemno�ci C1 zależy wydajno�ć pršdowa zasilacza, w zwišzku z tym kondensator ten powinien mieć warto�ć w przedziale 100nF 2,2 F. W przedstawionym układzie, przy pojemno�ci C1 równej 1 F, maksymalny pršd wynosi ok. 50mA.

Rys.2.6. Schemat elektryczny zasilacza sieciowego.

Od zastosowanej diody Zenera zależy natomiast napięcie wyj�ciowe 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 do�ć uniwersalny i może dostarczyć szeroki przedział napięć.

�rodki bezpieczeństwa

Należy pamiętać, że układ jest podłšczony bezpo�rednio do sieci, dlatego należy zachować szczególnš ostrożno�ć podczas montażu oraz stosować odpowiednie elementy. Dotyczy to przede wszystkim kondensatora C1 oraz diod D1-D4. Można zastosować dwa sposoby zabezpieczenia zasilacza przed wystšpieniem napięcia sieci na wyj�ciu [14]:

1) za wyj�ciem stabilizatora zastosować bezpiecznik, a za nim diodę Zenera o napięciu przewodzenia przewyższajšcym napięcie wyj�ciowe stabilizatora (rys.2.7).

Rys.2.7. Schemat zabezpieczenia zasilacza.

2) umie�cić bezpiecznik na wej�ciu układu, przed kondensatorem C1 (rys.2.8).

Rys.2.8. Schemat zabezpieczenia zasilacza.

W przypadku pierwszym, w razie wystšpienia napięcia sieci na wyj�ciu (np. przebicie kondensatora C1), zabezpieczajšca 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 pršdzie, to dioda D5 zostanie zniszczona. Najlepiej zastosować jednocze�nie obydwa zabezpieczenia zasilacza, gdyż w razie uszkodzenia drugiego zabezpieczenia zadziała pierwsze. W układach praktycznych stosuje się zwykle rezystor rzędu kilkudziesięciu -kilkuset omów, połšczony szeregowo z kondensatorem C1. Ma to na celu uniknięcie zwarciowego impulsu pršdowego przez diody prostownicze w przypadku, gdy dołšczenie do sieci następuje w szczycie półfali, kondensatory sš puste i bez wspomnianego rezystora pršd poczštkowy wielokrotnie przekracza dopuszczalne warto�ci IFM zastosowanych diod.

OPIS KONSTRUKCJI ZASILACZA BEZTRANSFORMATOROWEGO

Koncepcja układu

Beztransformatorowy zasilacz napięcia stałego powinien spełniać następujšce podstawowe wymagania:

- dostarczać napięcia o stałej warto�ci niezależnej od zmian temperatury i pršdu obcišżenia,

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

- mieć zabezpieczenie pršdowe tj. układ automatycznego ograniczenia pršdu,

- mieć możliwie dużš sprawno�ć,

- nie powinien generować szumów akustycznych,

- mieć małš masę i wymiary.

Oczywiste jest, że przy praktycznej realizacji nie można równocze�nie spełnić wszystkich tych wymagań, dlatego też należy dšżyć do rozsšdnego kompromisu. W zasilaczach o konstrukcji kombinowanej stosuje się zasilacz wstępny jako stabilizator impulsowy. Umożliwia to utrzymanie napięcia doprowadzonego do tranzystora regulacyjnego stabilizatora o działaniu cišgłym na stałym poziomie. Tym samym straty elementu regulacyjnego sš mniejsze. Wstępne stabilizatory impulsowe majš małe straty, a minimalizacja strat stabilizatora o działaniu cišgłym pozwala na osišgnięcie wyższej sprawno�ci całego układu.

Opis ogólny zasilacza wstępnego

Zasilacz wstępny jest typowym układem wykorzystujšcym stabilizację impulsowš z wykorzystaniem tyrystora. Głównym elementem na którym wydziela się moc tracona jest tyrystor. Napięcie przewodzenia takiego elementu dla pršdu >1A jest równe około 1V. Stšd też możemy policzyć moc traconš na tyrystorze.

Działanie układu:

Po włšczeniu zasilacza do sieci, napięcie narasta ładujšc przez diodę D1, pojemno�ć
. Gdy napięcie na tej pojemno�ci wzro�nie powyżej Uz diody Zenera, gałęziš DZ1, R2 popłynie pršd, który otworzy tyrystor. Zwierajšc pršd wej�ciowy do masy, nie dopu�ci on do wzrostu napięcia powyżej
, gdzie UG to napięcie przewodzenia złšcza bramka - katoda tyrystora, które dla zastosowanego tyrystora wynosi ok. 0.12V. Napięcie stabilizowane w tym układzie jest równe UZ, a tętnienia zależš od pršdu pobieranego z tego zasilacza i od pojemno�ci
. Można również posłużyć się wzorem do obliczania pojemno�ci w zależno�ci od tętnień.

Rys. 3.1. Schemat zasilacza wstępnego przed modyfikacjš.

Ponieważ opisany wyżej zasilacz był w stanie wytrzymać pršd 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 znaczšco na podwyższenie pršdu, zmodyfikowano układ elementów przed mostkiem prostowniczym. Teraz kondensator C i rezystor R zostały włšczone równolegle do sieci. Z powodów bezpieczeństwa do drugiego bieguna sieci został podłšczony również kondensator C. Kondensatory stanowiš swego rodzaju pseudo izolację galwanicznš. Podczas tych zmian uzyskano wzrost pršdu obcišżenia do ok. 150mA (max). Rezystor R natomiast nie grzeje się tak jak w pierwszym przypadku. Zmiana ta także pocišgnęła za sobš znaczne zwiększenie pojemno�ci baterii kondensatorów C, co było konieczne dla uzyskania większego pršdu. Dla lepszego zabezpieczenia układu zastosowane zostało zabezpieczenie w postaci diody Zenera na wyj�ciu z zasilacza, połšczonej z bezpiecznikiem. W momencie przekroczenia napięcia przewodzenia diody (9V) pršd wyj�ciowy zostanie zwarty do masy, co również spowoduje przepalenie się bezpiecznika i odcięcie wyj�cia od sieci.

Rys. 3.2. Zasilacz wstępny po modyfikacji.

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

Opis stabilizatora końcowego

Układ L200 jest produkowany w trzech rodzajach obudów, które różniš 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, należš do nich:

- podstawowe zabezpieczenie antyzwarciowe o regulowanym pršdzie ograniczenia,

- zabezpieczenie termiczne, działajšce zarówno jak �ródło napięcia referencyjnego dla układu stabilizacyjnego, jak i na bezpiecznik pršdowy, pršd zwarciowy maleje ze wzrostem temperatury,

- zabezpieczenie typu S.O.A.R. tranzystora wyj�ciowego mocy, zapewniajšce temu tranzystorowi warunki pracy pod hiperbolš mocy traconej w kolektorze.

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

Rys. 3.4. Schemat zasilacza napięciowego z układem L200.

Schemat elektryczny stabilizatora końcowego

Rys.3.6. Schemat elektryczny stabilizatora końcowego.

Diody są potrzebne, bo kondensatory elektrolityczne muszą pracować z napięciem o określonej polaryzacji. Według połączenia na schemacie kondensatory są podłączone nieprawidłowo (odwrotna polaryzacja). Poza tym układ nie zadziała dopóki kondensatory nie będą rozładowywane naprzemiennie (kiedy jeden się ładuje, drugi powinien się rozładowywać, żeby w następnym cyklu znowu się naładować i dostarczyć prąd do obciążenia). Z kondensatorami suchymi nie ma takich problemów, za to są problemy z ich wymiarami.

1

---