Zasilacz transformatorowy a impulsowy – budowa, zasada działania, zalety i wady
Adobe Stock – luchschenFZasilacze elektryczne są stosowane w szerokim zakresie, od prostych urządzeń domowych po złożone systemy kontrolne i automatykę przemysłową. Często wyposażone są w wiele zabezpieczeń, które chronią zasilacz oraz zasilany odbiornik przed przepięciami, przeciążeniem lub zwarciem.
Podstawowym zadaniem zasilaczy jest przekształcenie napięcia zasilającego (przemiennego) na stabilizowane napięcie zmienne lub stałe wymagane do zasilania odbiornika. Ze względu na sposób zmiany napięcia najczęściej spotykanymi zasilaczami są zasilacze transformatorowe i zasilacze impulsowe.
Zasilacze transformatorowe (liniowe)
Zasilacze transformatorowe są najstarszymi oraz najprostszymi urządzeniami zasilającymi. Ich głównym elementem jest transformator, który obniża napięcie do zadanej wartości.
Najczęściej liniowo regulowany zasilacz transformatorowy składa się z transformatora, prostownika, kondensatora (filtra tętnień), stopnia mocy, filtra wyjściowego i układu sterowania. Transformator służy do separacji galwanicznej obwodów oraz zmiany wartości napięcia wejściowego AC (napięcie sieciowe) na niższą wartość napięcia zmiennego. Napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora podawane jest na układ prostowniczy – mostek Graetza.
Następnie, po jego zamianie na napięcie stałe – elementy reaktancyjne (kondensatory elektrolityczne) o dużej pojemności dokonują filtracji tętnień i buforowania napięcia. W pełni wygładzone i pozbawione tętnień napięcie trafia do tranzystorów mocy, w których obwodzie następuje regulacja wartości napięcia wyjściowego.
Układ sterowania (równoległy lub szeregowy) kontroluje różnicę między napięciem nieregulowanym DC a regulowanym napięciem wyjściowym DC oraz reguluje napięcie wyjściowe do stałej wartości. Filtr na wyjściu zasilacza redukuje szumy, tętnienia oraz obniża impedancję wyjściową. Praca tranzystora – różnica między napięciem na wejściu i wyjściu powoduje wydzielanie się ciepła, dlatego do chłodzenia tranzystorów wymagany jest montaż odpowiednich radiatorów.
Przy dużych mocach zasilaczy nie wystarcza już chłodzenie pasywne, dlatego konieczne jest zastosowanie wentylatora. Załączenie chłodzenia następuje automatycznie po przekroczeniu określonej temperatury na radiatorze, niestety praca wentylatora nie należy do cichych.
Zasilacze transformatorowe oferują zasilanie pozbawione szumów i tętnień, co sprawia, że są idealnymi rozwiązaniami do zasilania sprzętu medycznego, urządzeń audio, pomiarowych i laboratoryjnych. Dzięki swoim zaletom znalazły także zastosowanie w zasilaniu central alarmowych, są też powszechnie używane do zasilania różnego rodzaju urządzeń wymagających niskiego napięcia zasilającego, np. wzmacniaczy antenowych.
Zalety zasilaczy transformatorowych:
- napięcie wyjściowe o niskim poziomie tętnienia i szumu,
- szybka reakcja na regulację napięcia i prądu,
- brak poboru mocy biernej na napięciu zasilającym,
- niska awaryjność,
- odporność na zwarcia.
Wady zasilaczy transformatorowych:
- stosunkowo duży ciężar i rozmiar,
- sprawność poniżej 60%,
- pobieranie prądu na biegu jałowym,
- wydzielanie ciepła podczas pracy,
- głośna praca wentylatora chłodzącego,
- większy prąd podczas uruchomienia,
- mały wybór producentów.
Zasilacze impulsowe
Zasilacze impulsowe SMPS (Switched Mode Power Supplies) stanowią obecnie najpopularniejszą grupę zasilaczy. Ich działanie opiera się na przełączaniu tranzystora z dużą częstotliwością między stanami wysokiego i niskiego napięcia.
Na wejściu zasilacza znajduje się filtr wejściowy, którego zadaniem jest zabezpieczanie zasilacza i podłączonych urządzeń przed szkodliwymi zakłóceniami generowanymi przez sieć zasilającą. Następnie napięcie przemienne jest prostowane za pomocą mostka prostowniczego. Po jego wyprostowaniu ponownie zostaje filtrowane w celu obniżenia przepięć i eliminacji powstałych zakłóceń.
Stałe napięcie dociera do sekcji przełącznika (tranzystory MOSFET), który przekształca wygładzone napięcie stałe w przebieg prostokątny o wysokiej częstotliwości. Tranzystor przełączany jest między stanem nasycenia i zatkania w zakresie od 10 kHz do kilkuset kHz przez sygnał PWM (Pulse-Width Modulation – modulacja szerokości impulsu), podanym przez układu sterowania (sprzężenie zwrotne). Układ kontroluje stabilność napięcia wyjściowego i w razie potrzeby dokonuje zmian szerokości impulsu sterującego (wypełnienia) w celu uzyskania stałego poziomu napięcia na wyjściu zasilacza. Sekcja przełącznika podaje pulsacyjne napięcie o wysokiej częstotliwości na uzwojenia pierwotne transformatora, który zmienia wartość napięcia zgodnie z przekładnią uzwojeń.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Następnie napięcie z wyjścia transformatora jest podawane na prostownik i prostowane w pulsacyjne napięcie prądu stałego. Filtr wyjściowy uśrednia wartość napięcia oscylacyjnego do stałego poziomu napięcia na wyjściu zasilacza. Podobnie jak w przypadku zasilacza liniowego układ sterowania zgodnie z ustawieniem porównuje poziom napięcia wyjściowego prądu stałego z wartością odniesienia w celu regulacji jego poziomu.
Zasilacze impulsowe stały się bardzo powszechne w użyciu i coraz częściej zastępują tradycyjne zasilacze transformatorowe. Dzięki wysokiej wydajności, mniejszemu wydzielaniu ciepła i małym gabarytom znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach. Największym uznaniem cieszą się w automatyce przemysłowej – są niezastąpione podczas projektowania układów sterowania i nadzoru. Zasilacze SMPS wykorzystuje się także w urządzeniach medycznych, zasilaniu oświetlenia LED oraz jako zasilacze komputerów, monitorów, konsol do gier itp.
Zalety zasilaczy impulsowych:
- wysoka sprawność na poziomie 70–95%,
- niskie straty mocy,
- szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych,
- stabilność napięcia wyjściowego,
- odporność na zwarcia i przepięcia,
- mniejsze wymiary i waga w porównaniu z transformatorami liniowymi.
Wady zasilaczy impulsowych:
- tętnienia i zniekształcenia harmoniczne,
- szumy wyjściowe o wysokiej częstotliwości,
- niezbędne zastosowanie dość skomplikowanych filtrów na wejściu i wyjściu,
- złożona konstrukcja.
Porównanie zasilaczy transformatorowych i impulsowych
Główną różnicą między zasilaczami transformatorowymi a impulsowymi jest ich sprawność. Zasilacze liniowe zazwyczaj wykorzystują transformatory do obniżenia napięcia wejściowego AC. Napięcie po wyprostowaniu i filtracji przez kondensatory charakteryzuje się bardzo niskimi tętnieniami, jednak zastosowanie na wejściu transformatora powoduje, że sprawność takiego układu jest na poziomie 30–60%.
Ponadto transformatory charakteryzują się zwykle dużymi rozmiarami i stosowną wagą. Przekazanie energii odbywa się kosztem wydzielonego przez tranzystor ciepła, co sprawia, że wysokoprądowe regulatory liniowe wymagają dodatkowego zastosowania wentylatorów. Zasilacze liniowe są bardzo proste w budowie i działaniu oraz stosunkowo tanie.
Zasilacze SMPS wyróżniają się sprawnością na poziomie 80%, a jeszcze wyższą sprawność mogą osiągnąć przy minimalnych stratach mocy. Zasilacze te charakteryzują się również niewielkimi rozmiarami i bardzo szerokim zastosowaniem. Ich konstrukcja jest jednak znacznie bardziej złożona ze względu na użycie dużej liczby elementów. Dodatkowo wymagają zastosowania rozbudowanych filtrów, redukujących szumy o wysokiej częstotliwości. Jeśli sekcje filtracji nie zostaną odpowiednio zaprojektowane, mogą wystąpić problemy podczas zasilania wrażliwych urządzeń.
Zasilacze impulsowe są urządzeniami o bardzo wysokiej skuteczności podczas regulacji napięcia. Sprawdzają się w aplikacjach, które wymagają wysokiej sprawności, w wielu przypadkach są bardziej odpowiednie niż zasilacze liniowe. Wybór SMPS lub zasilacza transformatorowego powinien być jednak przeprowadzony po uwzględnieniu wielu czynników, takich jak: akceptowalne tętnienie i stabilizacja napięcia wyjściowego, dopuszczalne obciążenie, parametry zasilania, koszt zakupu i złożoność aplikacji.
