Zasilacze impulsowe służą do przekształcania napięcia wejściowego na wartość wymaganą przez podzespoły wewnętrzne. Inną popularną nazwą zasilaczy impulsowych są inwertery.
Spis treści
Co to jest zasilacz impulsowy?
Inwerter to wtórne źródło zasilania, które wykorzystuje podwójną konwersję wejściowego napięcia przemiennego. Wartości wyjściowe są regulowane przez zmianę czasu trwania (szerokości) impulsów oraz, w niektórych przypadkach, ich częstotliwości. Ten rodzaj modulacji nazywany jest modulacją szerokości impulsu.
Zasada działania zasilacza impulsowego
Falownik działa poprzez prostowanie napięcia pierwotnego, a następnie przekształcanie go w ciąg impulsów o wysokiej częstotliwości. Jest to przeciwieństwo konwencjonalnego transformatora. Napięcie wyjściowe jest wykorzystywane do generowania sygnału ujemnego sprzężenia zwrotnego, co umożliwia regulację parametrów impulsu. Kontrolując szerokość impulsu, można w prosty sposób zapewnić stabilizację i regulację parametrów wyjściowych, napięcia lub prądu. Oznacza to, że może być zarówno regulatorem napięcia, jak i prądu.
Liczba i biegunowość wartości wyjściowych może być bardzo różna, w zależności od sposobu działania zasilacza impulsowego.
Różnorodność zasilaczy
Stosuje się kilka typów falowników, które różnią się układem połączeń:
- beztransformatorowe;
- transformator.
Pierwsze z nich wyróżniają się tym, że sekwencja impulsów trafia bezpośrednio do prostownika wyjściowego i filtra wygładzającego urządzenia. Taki obwód ma minimalną liczbę elementów. Prosta przetwornica zawiera specjalizowany układ scalony - oscylator szerokości impulsu.
Główną wadą urządzeń beztransformatorowych jest brak izolacji galwanicznej od sieci zasilającej, co może stwarzać zagrożenie porażeniem prądem elektrycznym. Zwykle mają też małą moc i dostarczają tylko 1 wartość napięcia wyjściowego.
Bardziej powszechne są urządzenia transformatorowe, w których do uzwojenia pierwotnego transformatora przykładana jest sekwencja impulsów o wysokiej częstotliwości. Uzwojeń wtórnych może być dowolnie dużo, co umożliwia uzyskanie kilku napięć wyjściowych. Każde uzwojenie wtórne jest obciążone własnym prostownikiem i filtrem wygładzającym.
Wydajny zasilacz impulsowy dowolnego komputera jest zbudowany według takiego układu, który charakteryzuje się wysoką niezawodnością i bezpieczeństwem. W przypadku sygnału sprzężenia zwrotnego stosuje się napięcie 5 lub 12 V, ponieważ wartości te wymagają możliwie najdokładniejszej stabilizacji.
Zastosowanie transformatorów do przetwarzania napięcia o wysokiej częstotliwości (dziesiątki kiloherców zamiast 50 Hz) umożliwiło wielokrotne zmniejszenie ich wymiarów i masy oraz zastosowanie jako materiału rdzenia (drutu magnetycznego) materiałów ferromagnetycznych o dużej sile koercji zamiast żelaza elektrycznego.
Przetwornice DC-DC są również oparte na modulacji szerokości impulsów. Bez zastosowania obwodów inwerterowych konwersja była bardzo trudna.
Obwód zasilania prądem stałym
Schemat najczęściej spotykanej konfiguracji przetwornicy impulsowej zawiera:
- Filtr liniowy do tłumienia zakłóceń;
- prostownik;
- Filtr wygładzający;
- konwerter częstotliwości impulsów;
- tranzystory kluczowe;
- wyjściowy transformator wysokiej częstotliwości;
- prostowniki wyjściowe;
- wyjściowe filtry indywidualne i grupowe.
Zadaniem filtra przeciwzakłóceniowego jest wychwytywanie zakłóceń pochodzących z pracy urządzenia w sieci zasilającej. Przełączaniu elementów półprzewodnikowych dużej mocy może towarzyszyć generowanie krótkotrwałych impulsów w szerokim spektrum częstotliwości. Dlatego konieczne jest stosowanie specjalnie zaprojektowanych elementów jako kondensatorów przelotowych dla połączeń filtrujących.
Prostownik służy do przekształcania wejściowego napięcia przemiennego w napięcie stałe, a filtr wygładzający za nim eliminuje tętnienia napięcia wyprostowanego.
W przypadku zastosowania przetwornicy prądu stałego prostownik i filtr są zbędne, a sygnał wejściowy, po przejściu przez układ filtru zakłóceń, jest podawany bezpośrednio do modulatora szerokości impulsów (PWM), czyli w skrócie PWM.
PWM jest najbardziej złożoną częścią obwodu zasilacza impulsowego. Do jej zadań należy:
- Generowanie impulsów o wysokiej częstotliwości;
- monitorowanie parametrów wyjściowych urządzenia i korekta przebiegu impulsów zgodnie z sygnałem zwrotnym;
- Monitorowanie i ochrona przed przeciążeniami.
Sygnał PWM jest podawany na styki sterujące tranzystorów mostkowych lub półmostkowych dużej mocy. Przewody zasilające są podłączone do uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego wysokiej częstotliwości. Tradycyjne tranzystory bipolarne są zastępowane przez tranzystory IGBT lub MOSFET, które charakteryzują się bardzo niskim spadkiem napięcia złącza i dużą szybkością działania. Lepsza wydajność tranzystorów pozwala na zmniejszenie rozpraszania mocy przy zachowaniu tych samych wymiarów i konstrukcji technicznej.
Wyjściowy transformator impulsowy wykorzystuje tę samą zasadę konwersji, co transformator klasyczny. Wyjątkiem jest praca z nadmierną częstotliwością. W związku z tym transformatory wysokiej częstotliwości mają mniejsze wymiary przy tej samej przenoszonej mocy.
Napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora mocy (może być ich kilka) jest podawane do prostowników wyjściowych. W przeciwieństwie do prostownika wejściowego, diody prostownicze obwodu wtórnego muszą mieć wyższą częstotliwość pracy. W tej części obwodu najlepiej sprawdzają się diody Schottky'ego. W porównaniu z tradycyjnymi diodami mają one następujące zalety:
- wysoka częstotliwość pracy;
- mniejsza pojemność złącza p-n;
- niski spadek napięcia.
Zadaniem filtra wyjściowego w zasilaczu impulsowym jest ograniczenie tętnień wyprostowanego napięcia wyjściowego do niezbędnego minimum. Ponieważ częstotliwość tętnień jest znacznie wyższa niż napięcie sieciowe, nie ma potrzeby stosowania dużych pojemności i indukcyjności w cewkach.
Zakres stosowania zasilaczy impulsowych
W większości przypadków zamiast tradycyjnych przetwornic transformatorowych ze stabilizatorami półprzewodnikowymi stosuje się impulsowe przetwornice napięcia. Przy tej samej mocy inwertery są mniejsze i lżejsze, bardziej niezawodne, a co najważniejsze - bardziej wydajne i mogą pracować w szerokim zakresie napięć wejściowych. A przy porównywalnej wielkości maksymalna moc przetwornicy jest kilkakrotnie wyższa.
W takim obszarze, jak przekształcanie napięcia stałego, źródła impulsowe nie mają prawie żadnej alternatywy i są w stanie działać nie tylko poprzez obniżanie napięcia, ale także poprzez generowanie wyższego napięcia i odwracanie polaryzacji. Wysoka częstotliwość konwersji znacznie ułatwia filtrowanie i stabilizację parametrów wyjściowych.
Małe przetwornice oparte na specjalizowanych układach scalonych są wykorzystywane jako ładowarki do wszelkiego rodzaju gadżetów, a ich niezawodność jest tak duża, że okres eksploatacji ładowarki może kilkakrotnie przekroczyć okres eksploatacji urządzenia mobilnego.
12-woltowe sterowniki zasilania do włączania źródeł światła LED są również oparte na układzie przełączającym.
Jak własnoręcznie wykonać zasilacz impulsowy
Inwertery, zwłaszcza te o dużej mocy, mają skomplikowane układy i są dostępne tylko dla doświadczonych radioamatorów. Do samodzielnego montażu zasilaczy sieciowych można polecić proste układy małej mocy z wykorzystaniem specjalizowanych sterowników PWM. Te układy scalone nie wymagają dużego okablowania i mają dobrze opracowaną konstrukcję obwodu, która praktycznie nie wymaga regulacji i dostrajania.
Podczas prac nad konstrukcjami domowymi lub naprawami urządzeń przemysłowych należy pamiętać, że część obwodu zawsze będzie znajdować się pod napięciem sieciowym, dlatego należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa.
Powiązane artykuły:
