W tym poście chciałbym opisać z jakich elementów jest zbudowany zasilacz prądu stałego, oraz o czym należy pamiętać aby go poprawnie wykonać.
Jest to podstawowy element zasilacza. Pozwala on na przeniesienie energii elektrycznej prądu przemiennego podanego z gniazdka na prąd o niższym napięciu. Zostaje zachowana pierwotna częstotliwość.
Transformator
Jest to podstawowy element zasilacza. Pozwala on na przeniesienie energii elektrycznej prądu przemiennego podanego z gniazdka na prąd o niższym napięciu. Zostaje zachowana pierwotna częstotliwość.
Rys. 1. Transformator [wikipedia]
Transformator składa się z uzwojenia pierwotnego, na które podawane jest główne zasilanie, oraz uzwojenia wtórnego z którego wychodzi napięcie obniżone. Głównymi elementami w jego budowie jest stalowy rdzeń oraz uzwojenia.
Oba uzwojenia są od siebie odseparowane galwanicznie. Wyjątek stanowi tzw. autotransformator w którym jest jedno uzwojenie spełniające obie funkcje.
Przy dobieraniu transformatora należy pamięć o takich elementach całego zasilacza jak:
- Zakres zmian napięcia wyjściowego. Najlepiej aby odchylenia od wartości zadanej były jak najmniejsze.
- Wartość spadku napięcia na prostowniku oraz na stabilizatorze
- Jaka jest minimalna wartość napięcia na stabilizatorze
- Straty napięcia spowodowane rezystancją wewnętrzną transformatora
- Moc wyjściowa jaka ma być zastosowana dla zasilacza
Rezystancja wewnętrzna samego transformatora jest ważna ponieważ pozwala ona określić jaki będzie spadek napięcia wyjściowego obciążonego układu. Drugim elementem jest prąd szczytowy w jakim dioda będzie przewodzić, oraz jaki będzie na niej spadek napięcia.
Często zamiast transformatora z jednym uzwojeniem wtórnym stosuje się takie które zawierają po kilka typów takich uzwojeń. Pozwoli to na wykonanie na jednym układzie kilku napięć zasilających.
Diody prostownicze
Kolejnym istotnym elementem są diody prostownicze, Można zastosować tylko jedną taką diodę. Natomiast spowoduje to całkowite odcięcie jednej połówki napięcia przemiennego. Taka część układu mogła by wyglądać następująco.
Rys. 2. Transformator i dioda
Na rysunku 2, Rw jest to rezystancja wewnętrzna transformatora, natomiast Rl jest to podłączone pod niego obciążenia.
Wykorzystywanie tylko jednej diody pozwala co prawda na odcięcie dolnej połówki, natomiast dobre by było ją wykorzystać, tak aby używać pełnej wartości podanej z transformatora. Do tego celu wykorzystuje się cztery diody prostownicze podłączone w układzie mostka Gretza. Podłączony układ wygląda następująco:
Mostek Gretza składa się z czterech diod Schotkiego. Pozwalają one na dokonywanie bardzo szybkiego przełączania, co ma znaczenie w przypadku napięcia o częstotliwości sieciowej. Dodatkowym atutem jest tutaj niski spadek napięć, co dla tej części transformatora gdzie jego wartość została już znacząco obniżona ma duże znaczenie.
Następnym bardzo istotnym elementem są filtry, w których skład wchodzą kondensatory oraz cewki. Ich zadaniem jest wygładzenie napięcia oraz odcięcie wszystkich zakłóceń oraz tętnień. Można także zastosować sam kondensator, natomiast nie przyniesie on aż tak dobrego efektu.
Po dodaniu filtru na wyjściu otrzymuje się znacznie wygładzony przebieg napięcia. Im większy kondensator tym można otrzymać bardziej płaski przebieg.
Jak już wspomniałem wcześniej takie kondensatory niwelują występujące tętnienia. Im większy jest prąd wyjściowy tym większy powinien być zastosowany kondensator.
Wartość pojemności kondensatora można wyliczyć z następującego wzoru:
C=Iwy/(2*f*Utpp)
Gdzie: C - pojemność kondensatora, f - częstotliwość sieci 50Hz, Utpp - napięcie występujących tętnień.
Następnym elementem jest podłączenie układu dostosowania napięcia do zadanej wielkości. W takim układzie występują dwie możliwości wykonania tego zadania. Jedna z nich polega na zastosowaniu diody zenera oraz tranzystora.
Drugi sposób polega na zastosowaniu stabilizatora napięcia.
Podłączenie stabilizatora może się od siebie trochę różnić. Zależy to głównie od jego rodzaju i sposobu podłączenia jaki jest zalecany przez producenta.
Przedstawiony tutaj sposób podłączenia przedstawia zasilacz liniowy. Posiada on zdecydowanie mniejszą sprawność niż zasilacz impulsowy.
Zasilacz Impulsowy
Poniżej przedstawiam schemat elektryczny zasilacza impulsowego.
Napięcie z sieci jest prostowane, następnie wygładzone przez kondensator. Po czym zostaje ono podane na uzwojenie pierwotne transformatora. Po tym podawane jest na kolektor tranzystora, który pracuje jako klucz. Sterowanie tranzystorem dokonuje się poprzez impulsy wysyłane z generatora. Zadaniem tranzystora jest zwieranie do masy uzwojenia transformatora w momencie podania impulsu na bramkę. Dzięki temu przenoszone jest napięcie także w postaci impulsów z częstotliwością pracy generatora na uzwojenie wtórne. Tym razem impulsy mają kształt prostokątny.
Po przejściu przez transformator napięcie idzie na diodę prostowniczą, następnie jest ono wygładzane przez kondensator. Napięcie wyjściowe jest podawane na komparator przez dzielnik napięcia. Porównywane jest ono z wartością referencyjną. Dzięki temu różnica napięć jest podawana na generator dzięki czemu otrzymuje się odpowiednią regulację sygnałami generatora.
Napięcie z komparatora powinno przechodzić przez elementy separujący jakim jest np. transoptor. Masy po stronie sieci oraz po stronie uzwojenia wtórnego powinny być oddzielone.
Po przejściu sygnału przez układ w celu dopasowania wartości napięcia można zastosować filtr LC oraz stabilizator napięcia.
Zasilacz impulsowy pozwala na polepszenie wydajności w porównaniu z zasilaczem liniowym. Dodatkowo można zastosować dużo mniejszy transformator.
Wykorzystywanie tylko jednej diody pozwala co prawda na odcięcie dolnej połówki, natomiast dobre by było ją wykorzystać, tak aby używać pełnej wartości podanej z transformatora. Do tego celu wykorzystuje się cztery diody prostownicze podłączone w układzie mostka Gretza. Podłączony układ wygląda następująco:
Rys. 3. Schemat transformatora z prostownikiem
Mostek Gretza składa się z czterech diod Schotkiego. Pozwalają one na dokonywanie bardzo szybkiego przełączania, co ma znaczenie w przypadku napięcia o częstotliwości sieciowej. Dodatkowym atutem jest tutaj niski spadek napięć, co dla tej części transformatora gdzie jego wartość została już znacząco obniżona ma duże znaczenie.
Filtry
Następnym bardzo istotnym elementem są filtry, w których skład wchodzą kondensatory oraz cewki. Ich zadaniem jest wygładzenie napięcia oraz odcięcie wszystkich zakłóceń oraz tętnień. Można także zastosować sam kondensator, natomiast nie przyniesie on aż tak dobrego efektu.
Rys. 4. Zasilacz z filtrem
Po dodaniu filtru na wyjściu otrzymuje się znacznie wygładzony przebieg napięcia. Im większy kondensator tym można otrzymać bardziej płaski przebieg.
Jak już wspomniałem wcześniej takie kondensatory niwelują występujące tętnienia. Im większy jest prąd wyjściowy tym większy powinien być zastosowany kondensator.
Wartość pojemności kondensatora można wyliczyć z następującego wzoru:
C=Iwy/(2*f*Utpp)
Gdzie: C - pojemność kondensatora, f - częstotliwość sieci 50Hz, Utpp - napięcie występujących tętnień.
Stabilizator
Następnym elementem jest podłączenie układu dostosowania napięcia do zadanej wielkości. W takim układzie występują dwie możliwości wykonania tego zadania. Jedna z nich polega na zastosowaniu diody zenera oraz tranzystora.
Rys. 5. Zasilacz z stabilizatorem z diody zenera i tranzystora
Drugi sposób polega na zastosowaniu stabilizatora napięcia.
Rys. 6. Zasilacz z wykorzystaniem stabilizatora
Podłączenie stabilizatora może się od siebie trochę różnić. Zależy to głównie od jego rodzaju i sposobu podłączenia jaki jest zalecany przez producenta.
Przedstawiony tutaj sposób podłączenia przedstawia zasilacz liniowy. Posiada on zdecydowanie mniejszą sprawność niż zasilacz impulsowy.
Zasilacz Impulsowy
Poniżej przedstawiam schemat elektryczny zasilacza impulsowego.
Rys. 7. Schemat zasilacza impulsowego
Napięcie z sieci jest prostowane, następnie wygładzone przez kondensator. Po czym zostaje ono podane na uzwojenie pierwotne transformatora. Po tym podawane jest na kolektor tranzystora, który pracuje jako klucz. Sterowanie tranzystorem dokonuje się poprzez impulsy wysyłane z generatora. Zadaniem tranzystora jest zwieranie do masy uzwojenia transformatora w momencie podania impulsu na bramkę. Dzięki temu przenoszone jest napięcie także w postaci impulsów z częstotliwością pracy generatora na uzwojenie wtórne. Tym razem impulsy mają kształt prostokątny.
Po przejściu przez transformator napięcie idzie na diodę prostowniczą, następnie jest ono wygładzane przez kondensator. Napięcie wyjściowe jest podawane na komparator przez dzielnik napięcia. Porównywane jest ono z wartością referencyjną. Dzięki temu różnica napięć jest podawana na generator dzięki czemu otrzymuje się odpowiednią regulację sygnałami generatora.
Napięcie z komparatora powinno przechodzić przez elementy separujący jakim jest np. transoptor. Masy po stronie sieci oraz po stronie uzwojenia wtórnego powinny być oddzielone.
Po przejściu sygnału przez układ w celu dopasowania wartości napięcia można zastosować filtr LC oraz stabilizator napięcia.
Zasilacz impulsowy pozwala na polepszenie wydajności w porównaniu z zasilaczem liniowym. Dodatkowo można zastosować dużo mniejszy transformator.
