Zasilacze

Do zasilania różnych układów elektronicznych wymagane są różne napięcia i różne prądy. Źródła napięcia stałego nie powinny zawierać przydźwięku, ani też rozprowadzać zakłóceń. Dlatego źródło napięcia musi dawać napięcie wystarczająco odfiltrowane niezawierające składowych zmiennych. Ze względów bezpieczeństwa napięcie stałe musi być separowane galwanicznie od napięcia sieci.
Źródłami zasilania do aparatury elektronicznej są: sieć energetyczna oraz baterie i akumulatory. Do zasilania aparatury z sieci elektroenergetycznej prądu przemiennego stosuje się najczęściej specjalne urządzeni, tzw. prostownicze układy zasilające, nazywane również zasilaczami. Służą one do przemiany prądu przemiennego na stały.
Zasilacze z sieci można podzielić na:
-zasilanie bezpośrednie
-zasilanie za pośrednictwem transformatora
zadaniem transformatora jest dostarczanie z sicie zasilającej energii o odpowiednich napięciach oraz galwaniczne oddzielenie zasilanego odbiornika od sieci elektroenergetycznej.
Małe urządzenia elektroniczne są zasilane z sieci jednofazowej o napięciu 220 V. urządzenia średniej mocy są zasilane z sieci trójfazowej o napięciu 3x 380 V. Urządzenia dużo, np. radiostacje nadawcze, są zasilane z własnych podstacji energetycznych.
Ze względu na sposób wykorzystywania prądu przemiennego rozróżnia się:
- układy prostownicze półokresowi
-układy prostownicze pełnookresowe
Wahania napięcia sieci zasilającej miejskiej nie mogą przekraczać ±5% napięcia znamionowego. Na terenach wiejskich +5 i -10%. Odchylenie częstotliwości 5Hz nie może być większe niż +0,2 Hz i -0,5Hz.

Wymagania stawiane urządzeniom zasilającym
Urządzenia zasilające aparaturę elektroniczną powinny dostarczać odpowiedniej wartości napięć i prądów. W urządzeniach tych powinne być przewidziane również odpowiednie zabezpieczenia przetężeniowe i przepięciowe. Przetężenia mogą powstać na skutek zwarć w obwodzie obciążenia lub zwarcia w prostowniku; przepięcia zaś mogą być spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, zjawiskami przejściowymi w okresie łączenia obwodu oraz zjawiskami powstającymi przy przełączaniu elementów półprzewodnikowych. O wyborze zabezpieczenia przetężeniowego decydują wymagania dotyczące niezawodności i ciągłości pracy, prawdopodobieństwo zwarć, wartość i szybkość narastania prądu zwarcia.
Do najczęściej stosowanych zabezpieczeń należy zaliczyć:
- wyłączniki prądu przemiennego
- wyłączniki prądu stałego
- bezpieczniki szybkie w obwodzie z diodami
- tyrystorowe układy wyłączające
- u rządzenia powodujące zablokowanie tyrystora
- szybko nasycające się dławiki
Do najbardziej rozpowszechnionych systemów zabezpieczeń przepięciowych należą kondensatory.
Ważnym zagadnieniem jest separacja urządzeń zasilających od zakłóceń radio-elektrycznych przychodzących od strony sieci energetycznej.
Układy z elementami powodującymi zmiany stanów energetycznych są również same źródłem zakłóceń radioelektrycznych. Poziom ich przy zastosowaniu elementów półprzewodnikowych jest niższy niż w przypadku stosowania innych elementów łączących czy prostujących. Prostujących celu ograniczenia zakłóceń radioelektrycznych stosuje się np. filtry dolnoprzepustowe lub zasilanie przez transformator, ekranowanie elektrostatyczne urządzeń ze skutecznym uziemianiem ekranu itp.
Bardzo istotnym parametrem, który charakteryzuje urządzenie zasilające jest tzw. współczynnik tętnień (pulsacji)

Zależność tę można wyrazić wzorem

w którym:
Isk i Usk – wartości skuteczne samych składowych zmiennych,
Io i Uo - wartości stałe prądu i napięcia.

Orientacyjne dopuszczalne wartości współczynnika tętnień źródeł zasilających np. dla wzmacniaczy małej mocy wynoszą ok. 0,1%, a dla wzmacniaczy stepowych – ok. 0,001%.
W celu zmniejszenia tętnień napięcia wyjściowego do wartości dopuszczalnej są stosowane filtry (RLC) lub układy czynne (stabilizatory).
Zdolność wygładzania napięcia przez filtr można scharakteryzować współczynnikiem wygładzania S

gdzie:

r – współczynnik tętnień
r dop – dopuszczalny współczynnik tętnień.
Współczynnik wygładzania określa, o ile razy zastosowany filtr zmniejsza składową zmienną napięcia wyprostowanego.
Na skutek wahań napięcia sieci lub zmian obciążenia napięcie na zaciskach wyjściowych zasilacza może ulegać znacznym wahaniom. W takich przypadkach stosuje się stabilizatory, które zmniejszają wpływ tych zmian na wartość napięcia wyjściowego zasilacza. W związku z tym, następnym ważnym parametrem charakteryzującym źródło zasilania jest tzw. współczynnik stabilizacji. Jest to iloraz napięcia lub prądu na zaciskach odbiornika energii przez napięcie lub prąd wyjściowy na zaciskach zasilacza przed stabilizatorem. Współczynnik ten dla napięć określa wzór:

proste układy stabilizujące zapewniają stałość napięcia w granicach od 2% do 5% przy dopuszczalnych wahaniach napięcia sieci.
Każdy zasilacz charakteryzują:
- wartość średnia wyprostowanego napięcia U0 i prądu Io
- współczynnik tętnień
- częstotliwość tętnień
- charakterystyka zewnętrzna o= f(Io) przy Uwe = const.
- współczynnik stabilizacji napięcia lub prądu.

Konieczne zabezpieczenia

Budowę zasilaczy należy zaczynać dopiero po dokładnym zapoznaniu się z odpowiednimi przepisami BHP. Należy zdawać sobie sprawę, że napięcie elektryczne powyżej 40 V może być niebezpieczne dla życia. Należy, więc ostro przestrzegać przepisów i stosować środki zabezpieczające.
Obudowy metalowe muszą być połączone za pomocą oznakowanego przewodu kabla trzyżyłowego. Ze stykiem ochronnym tak, aby w przypadku uszkodzenia izolacji na obudowie metalowej nie wystąpiło napięcie niebezpieczne dla życia. Wszystkie części przewodzące prąd muszą być zakryte i zabezpieczone przed dotknięciem. Zasilacz powinien być zabezpieczony przed przeciążeniem lub zwarciem przez prawidłowo dobrane bezpieczniki, które przerywają obwód prądu przy zwarciu lub przeciążeniu. Przed wymianą bezpieczników przyrząd należy wyłączyć z sieci wyjmując wtyczkę z gniazdka zasilającego. Praca z przyrządami samodzielnie zbudowanymi powinna odbywać tylko w pomieszczeniach suchych z podłogami drewnianymi, z dala od kaloryferów rur wodociągowych.

Wyróżniamy zasilacze: niestabilizowane i stabilizowane.

Zasilacze niestabilizowane
Niestabilizowane źródła napięcia to takie, których napięcie wyjściowe zależy od obciążenia i w których napięcie wyjściowe zależy od obciążenia i w których nie występują układy uzależniające napięcie lub prąd wyjściowy od obciążenia. Na rysunku 137a-e pokazano różne niestabilizowane zasilacze sieciowe do zasilania opisywanych wzmacniaczy m.cz. i innych układów elektronicznych. Zasilacze składają się z transformatora sieciowego, którego uzwojenie wtórne wytwarza wymaganą wartość napięcia przemiennego. Prostowanie wtórnego napięcia przemiennego uzyskuje się w układzie mostkowym. Składowa zmienna jest odfiltrowana za pomocą szeregowo dołączonego filtru dolnoprzepustowego kondensatorem o dużej pojemności (lub w inny sposób) w efekcie, czego na wyjściu uzyskujemy napięcie stałe. Napięcie biegu jałowego, które jest przeważnie wyższe o ok. 10% od napięcia znamionowego, nie może przekroczyć wartości dopuszczalnej układu. Zastosowane transformatory powinny być obliczone z pewnym zapasem tak, aby różnica między napięcie biegu jałowego i napięciem występującym przy obciążeniu była możliwie mała. Powinna ona wynosić nie mniej niż ok. 10% napięcia biegu jałowego. Również pozostałe elementy składowe, takie jak prostownik i kondensator muszą mieć pewien zapas napięciowy i prądowy, aby nie uległy uszkodzeniu już przy krótkotrwałych przeciążeniach. Dlatego zasilacz sieciowy powinien być zabezpieczony przez dobrze dobrane bezpieczniki zarówno po stronie pierwotnej jak i wtórnej. Należy liczyć się również z tym, że napięcie sieci może wzrosnąć o kilka procent, co prowadzi jednocześnie do wzrostu napięcia zasilania. Transformator powinien mieć uzwojenie ekranujące, które zabezpiecza przed przenikaniem do napięcia wyprostowanego szkodliwych przebiegów w.cz. lub impulsowych przepięć spowodowanych pracą tyrystorów rozchodzących się w sieci zasilającej 220V. Bardzo dobrze działa zastosowanie kondensatorów ochronnych ochronnych.cz. (0,33uF)
W prostowniku pracującym w układzie mostkowym powstaje spadek napięcia, który wynosi 1,4 Vsk. Należy to uwzględnić przy obliczaniu uzwojenia wtórnego transformatora sieciowego.

Zasilacze stabilizowane

W źródłach stabilizowanych napięcie lub prąd wyjściowy nie zalezą od zmian napięcia sieci, ani od obciążenia. Zapewnia to zastosowanie dodatkowych układów stabilizacji.

Stabilizacja za pomocą diody Zenera

Najprostszy układ stabilizacji składa się z szeregowo połączonego rezystora z dioda Zenera, która jest włączona równolegle do zmieniającego się napięcia wejściowego. Stabilizowane napięcie wyjściowe jest odbierane z włączonej w kierunku zaporowym diody Zenera. Proces stabilizacji przebiega następująco: jeśli maleje prąd obciążenia Iwy, to prąd płynący przez diodę Zenera Iz wzrasta o tę samą wartość tak, że napięcie wyjściowe Uwy jest w przybliżeniu stałe. Przy wzroście napięcia wejściowego prąd diody Zenera Iż również wzrasta; powoduje to wzrost spadku napięcia na rezystancji Rv i równocześnie skompensowanie wzrostu napięcia wejściowego.
Rezystancję Rv oblicza się według następującej zasady zapominającej, że dioda Zenera nie będzie przeciążona i nie będzie przekroczony wymagany prąd minimalny w kierunku zaporowym.

gdzie:
IZmax – maxymalny dopuszczalny prąd Zenera (wartość katalogowa),
IZmin – prąd minimalny

Wielkością charakterystyczną dla układu stabilizacji jest współczynnik stabilizacji S, który wyraża się stosunkiem względnych zmian napicia wejściowego do wyjściowego:

RYSUNEK 138 i wykz elementow strona 305

Przy odpowiednio dużej rezystancji szeregowej wynosi on ( dla przedstawionego układu):

gdzie: wyjściowa rezystancja różniczkowa Q jest równa w przybliżeniu rezystancji dynamicznej diody Zenera.
W układach większej mocy jako człon sterujący stosowane są tranzystory, które stanowią rezystancję szeregową. Razem z rezystancją obciążenia tworzą one dzielnik, na którym odkłada się różnica między niestabilizowanym napięciem wejściowym i stabilizowanym napięciem wyjściowym z tranzystora sterującego (lub szeregowego). Przy dużych zmianach obciążenia tranzystor szeregowy musi wytrzymać większą moc strat. Do tego wymagane są dodatkowe środki odprowadzania ciepła.

Prosty układ stabilizatora tranzystorowego

Tranzystor T jest w tym układzie tak sterowany przez utworzony z rezystorów R2, R3 oraz diody Zenera dzielnik napięcia, że spadek napięcia na rezystancji obciążenia pozostaje stały. Dzięki zastosowaniu tranzystora jako członu sterującego, działanie stabilizujące dzielnika napięcia utworzonego przez diodę Zenera zostaje przeniesione do obwodu większej mocy(rys.138b). napięcie na wyjściu stabilizatora nie zależy od obciążenia, lecz jest zależne od rodzaju zastosowanej diody Zenera, przy czym wartość napięcia wyjściowego jest równa różnicy napięcia Zenera i napięcia na złączu baza-emiter tranzystora T (w germanowych tranzystorach mocy od napięcia Zenera odejmuje się około 3V, a w krzemowych około 0,5-0,6 V).

Stabilizator ze wzmacniaczem regulacyjnym

Układ stabilizacji ze wzmacniaczem regulacyjnym i elektronicznym ograniczeniem prądu pokazano na rys 138c, przez zastosowanie wzmacniacza operacyjnego pracującego jako regulator można zwiększyć dokładność stabilizacji. Układ ograniczania prąd składa się z rezystora pomiarowego, na którym przy przekroczeniu dopuszczalnego prądu występuje taki spadek napięcia, że tranzystor T1, zostanie włączony. Spowoduje to takie zmniejszenie prądu bazy tranzystora sterującego, Darlingtona (TD), że przez odbiornik popłynie niewielki prąd.

Stabilizator z regulatorem napięcia w obudowie tranzystora

Stan techniki integracji stwarza możliwości wyprodukowania kompletnych układów stabilizacji z półprzewodnikami jako modułami hybrydowymi (technika grubo – lub cienkowarstwowa), jako scalone monolityczne regulatory napięcia ( w małej obudowie TO-5, TO-100), lub też w układzie dual In-live (rys 139). Układy takie po dołączeniu zewnętrznych tranzystorów mogą osiągnąć wydajność prądową 5 – 10A. takie scalone monolityczne zminiaturyzowane regulatory napięcia są wytwarzane dla napięć wyjściowych 2-37V; stosując je można zbudować łatwo i ekonomicznie stabilizowany zasilacz sieciowy. Większość produkowanych stabilizatorów może nie tylko dostarczać stałego napięcia wyjściowego niezależnie od zmian napięcia wejściowego i prądu obciążenia, lecz posiada również wewnętrzne zabezpieczanie przeciwzwarciowe. Jak widać na rys 139c, napięcie wyjściowe po przekroczeniu dopuszczalnego prądu wyjściowego maleje (tzw. „kolano” charakterystyki). Dołączając dodatkowy tranzystor szeregowy można zwiększyć prąd wyjściowy. W monolitycznych scalonych regulatorach napięcia przeważnie wyprowadzone są tylko trzy zaciski: wejście masa i wyjście, tak wiec dołączana jest tylko niewielka liczna elementów zewnętrznych. Wymagają one mało miejsca i są łatwe w montażu. Dla odprowadzenia ciepła wydzielonego w regulatorze napięcia najczęściej wystarcza odpowiedni sposób zamontowania obwodu scalonego na aluminiowy chassis. Chassis praktyce układowej scalone regulator napięcia najczęściej stosuje się do zasilania poszczególnych stopni wzmacniaczy, dzięki czemu zapewnia się najlepszą ich wzajemną separację. Unikamy przez to stosowania kosztownych, dużych ciężkich kondensatorów elektrolitycznych. Podzespoły pasywne mogą być zastąpione przez jeden element aktywny.

Zasilacze symetryczne

Zasilacze te są często stosowane. Przy zasilaniu bateryjnym można to łatwo zrealizować włączając dwie jednakowe baterie tak jak to pokazano na rys., 140. jeżeli mamy do dyspozycji tylko jedną baterię zamkniętą, to można zrobić zasilacz do odbiornika o małym prądzie (np. 10mA) przez symetryczny dzielnik rezystancyjny wg. Rys 140 b i c. Wadą takiego rozwiązania jest dodatkowy pobór prądu przez obciążenie rezystorami. Oba napięcia wyjściowe maleją pod wpływem obciążenia, dlatego mogą być stosowanego odbiorników małym i stałym poborze prądu, takich jak np. przedwzmacniacze. Ulepszony układ do zasilania dwubiegunowego pokazano na rys 140 c. Jest on również, zależnie od mocy admisyjnej diody Zenera, mało obciążalny w zakresie 10 – 100 mA, pracuje jednak bardzo stabilnie i bez pulsacji. Często stosowany i ekonomiczny układ zasilacza podwójnego do odbiorników większej mocy pokazano na rys. 140 d. w tym przypadku wymagany jest transformator sieciowy z dwoma symetrycznymi uzwojeniami wtórnymi. Kład wytwarza stosunkowo małe pulsacje napięcia zasilania, jeżeli tylko przeprowadzono dobrze obliczenie parametrów transformatora sieciowego, prostownika i filtru. Układ podwajacza napięcia pokazany na rys. 140 f, powinien być stosowany tylko wtedy, gdy mamy do dyspozycji uzwojenie wtórne o wystarczająco dużej przeciążalności prądowej. Napięcie znamionowe kondensatorów C2 i C3 powinno odpowiadać podwójnej wartości napięcia wyjściowego. Stosując wzmacniacz operacyjny (rys 140g) można uzyskać z pojedynczego zasilacza zasilacz dwubiegunowy, czyli podwójny. Symetria obu napięć wyjściowych jest określona przez napięcie Zenera diody DZ. Układ zapewnia wydajność prądową w zakresie 15 – 20mA. Symetryczne podwójne zasilacze z regulatorami napięcia pokazano na rys 140h i 140 u. układ rys 140h zbudowano z dwóch „dodatnich” regulatorów napięcia, a układ z rys 140i zawiera jeden „dodatni” i jeden „ujemny” regulator napięcia.

Zasilacze z regulowanym napięciem ujemnym i dodatnim

Zasilacz o wszechstronnym zastosowaniu pokazano na rys 141. w przypadku zastosowania jako zasilacza pojedynczego odbiornik dołącza się do zacisków Wy1 i M. przy takim połączeniu napięcie wyjściowe regulowane jest w sposób płynny w zakresie od – 13 do +14 V za pomocą potencjometru P1. Maksymalny pobór prądu wynosi 1 A. Odbiornik, który wymaga zasilania dwubiegunowego może być również zasilany przez dołączenie do zacisków Wy2, Wy1 (punkt zerowy) wy3(-15V). Przy symetrycznym napięciu wyjściowym +-15V potencjometr P1 musi być przedtem tak nastawiony, aby między zaciskami Wy1i Wy2 występowało napięcie +-15V, a między Wy1 i Wy3 -15V. Jeżeli wymagane jest zasilanie dwubiegunowe niesymetryczne to punkt zerowy jest ustawiony za pomocą potencjometru P1. obciążalność wynosi również 1A.