Obwody elektroniczne wymagają zasilania napięciem stałym. Niektóre obwody zasilane są napięciem jednostronnym, co oznacza, że napięcie odniesienia równa się 0 V, a napięcie pracy stanowi pewną wartość dodatnią, np.: 5, 12 lub 15 V DC. Wartość napięcia zależy od typu obwodu lub elementów, które będą zasilane.
Są też obwody, które wymagają zasilania dwustronnego, co oznacza, że napięcia mają wartości dodatnie i ujemne w odniesieniu do napięcia 0 V (lub potencjału uziemienia obwodu). Wzmacniacze akustyczne, wzmacniacze instrumentów i wiele innych typów układów przetwarzania sygnałów wymagają zasilania dwubiegunowego tj. ±12 lub ±15 V DC.
Wyróżnia się dwa tryby zasilania: liniowy lub switching-mode (zasilanie typu switching-mode opiera się na zastosowaniu elementów o małej stratności dielektrycznej, takich jak kondensatory, cewki indukcyjne i transformatory, oraz wykorzystaniu łączników posiadających dwa stany położenia: zamknięty lub otwarty). Zasilanie liniowe jest najłatwiejsze do zaprojektowania, zbudowania, obsługi i zrozumienia. Bardziej wydajnym typem zasilania jest switching-mode. W artykule tym zajmiemy się jednak tylko niskonapięciowym zasilaniem liniowym.
Zasilanie liniowe uzyskuje się z transformatora, który ma możliwość stopniowego zmniejszania lub podwyższania napięcia. Prostownik i kondensator filtrujący przekształcają napięcie zmienne AC w napięcie stałe DC, które po przekształceniu ciągle ma pewne pulsacje, a układ regulacyjny usuwa pozostałe pulsacje i nadmierne napięcie, zapewniając tym samym jego poprawną wartość na wyjściu.
Rys. 1. Rysunek przedstawia symbol diody. Paradoksalnie kierunek grotu strzałki w symbolu diody wskazuje kierunek przeciwny do przepływu prądu. Takie umowne oznakowanie pozostaje prawdziwe dla wszystkich symboli półprzewodników z grotami w kształcie strzałki
Stopniowe obniżanie napięcia
Transformatory obniżają lub podwyższają napięcie zmienne (zazwyczaj 230 V AC). Wiele aparatów elektronicznych wymaga zasilania napięciem stałym o wartościach dużo niższych niż napięcie międzyprzewodowe. W tej sytuacji należy zastosować transformator obniżający napięcie. Z drugiej jednak strony niektóre elementy elektroniczne, np. części komputerów lub monitory, wymagają napięć wyższych. Wówczas należy zastosować transformator podwyższający napięcie.
Transformator wymaga zasilania napięciem zmiennym. Jego konstrukcja składa się z dwóch cewek nawiniętych na jednym stalowym rdzeniu. Przepływ prądu zmiennego przez jedną z cewek (uzwojenie pierwotne) powoduje namagnesowanie rdzenia. Wielkość i biegunowość parametrów magnetycznych różni się w zależności od prądu i napięcia zasilania. Podczas gdy prąd pierwotny powoduje wytworzenie wielkości magnetycznych, strona wtórna odpowiada wytworzeniem wielkości elektrycznych, wywołanych stale rosnącym i malejącym polem magnetycznym.
Oprócz podwyższania i obniżania napięcia transformatory pozwalają na separację obwodów wysokiego i niskiego napięcia. Nawet wówczas, gdy rodzaj obciążenia nie wymaga zmian napięcia, to transformator często jednak znajduje zastosowanie, ponieważ obwody pierwotne i wtórne są połączone magnetycznie a nie elektrycznie.
Rys. 2. Prostownik półokresowy wykorzystuje tylko jedną diodę (D1) do zmiany sinusoidy na stały sygnał pulsujący. Dioda przewodzi wówczas, gdy jest spolaryzowana dodatnio, i blokuje, gdy jest spolaryzowana ujemnie
Przetwarzanie wielkości zmiennych na wielkości stałe
Prostowanie jest przetwarzaniem wielkości zmiennych na wielkości stałe. Dioda jest elementem elektronicznym, pozwalającym na przepływ prądu w jednym kierunku (rys. 1). Zachowanie diody można porównać z zachowaniem hydraulicznego zaworu jednokierunkowego, który pozwala na przepływ cieczy tylko w jednym kierunku.
Przykładając sygnał sinusoidalny, dioda pozwala na przepływ prądu, gdy jej biegunowość zgadza się z odpowiednią połówką kształtu fali sinusoidy i blokuje przepływ prądu z drugiej połowy fali sinusoidy.
Prostownik jednopołówkowy przedstawia sposób prostowania (rys. 2). Zaletami prostownika półokresowego są jego prostota i ekonomika. W obwodzie tym użyto jednej diody do przekształcenia sygnału zmiennego na pulsujący sygnał stały. Dlatego taki obwód zbudowany jest z mniejszej liczby elementów. Ponieważ diody są tanie, oszczędzanie na nich nie jest dyskusyjne.
Prostownik półokresowy ma wiele wad. Są to trudności z filtrowaniem i słaba wydajność. Takie prostowniki mogą jedynie znaleźć zastosowanie w obwodach wymagających bardzo małej mocy, tj. ok. 1 W lub mniejszej, ewentualnie w obwodach niewymagających dobrze wyregulowanego napięcia stałego.
Prostownik staje się bardziej wydajny przez dodanie drugiej diody, która przewodzi podczas drugiego półokresu sinusoidy. W ten sposób otrzymujemy prostownik dwupołówkowy. Jest on bardziej wydajny i praktyczny, ponieważ przewodzi prąd podczas trwania całego okresu sinusoidy.
Rys. 3. Prostownik dwupołówkowy z dzielonym uzwojeniem wtórnym wykorzystuje transformator z odczepem środkowym na uzwojeniu wtórnym oraz dwie diody (D1 i D2). W ten sposób otrzymuje się obwód, który przewodzi dwie połowy sinusoidy
Są dwa typy prostowników dwupołówkowych: prostowniki z dzielonym uzwojeniem wtórnym i prostowniki mostkowe. Obwód z prostownikiem dwupołówkowym z dzielonym uzwojeniem wtórnym wymaga od transformatora obniżającego napięcie wyposażenia w odczep środkowy (rys. 3). Jednakże obwód z prostownikiem dwupołówkowym mostkowym zapewnia prostowanie pełnookresowe bez potrzeby zastosowania transformatora z odczepem środkowym. Wejście obwodu jest ustawione na dwóch rogach po przekątnej, a wyjście na pozostałych dwóch rogach (rys. 4). Prostownik mostkowy jest bardzo praktycznym sposobem prostowania pełnookresowego w tych aplikacjach, w których nie ma dostępu do transformatora z odczepem środkowym lub jego zastosowanie jest niemożliwe. Prostownik mostkowy najlepiej wykorzystuje transformator, lecz wymaga zastosowania czterech diod.
Rys. 4. Prostownik mostkowy dwupołówkowy oferuje lepsze wykorzystanie transformatora niż prostowniki jednopołówkowe i prostowniki dwupołówkowe z dzielonym uzwojeniem wtórnym
Wygładzanie tętnień
Prostownik przekształca napięcie zmienne w napięcie stałe. Napięcie jednak ciągle pulsuje, choć kierunek przepływu prądu już się nie zmienia.
Zazwyczaj w obwodzie filtrującym zasilacz stosuje się w kondensatorach, aby poprawić jakość napięcia po jego wyprostowaniu. Kondensatory magazynują energię. Ilość energii, jaką mogą zmagazynować i na jaki czas zależy od wielkości kondensatora. Zakładając, że dobrano kondensator o odpowiednich parametrach, będzie on dostarczał energię wówczas, gdy poziom napięcia wejściowego spadnie poniżej wartości maksymalnej.
Jakość napięcia stałego zależy od kilku czynników. Najważniejszym z nich jest ilość prądu pobieranego przez zasilane elementy. Jeśli kondensator musi zapewniać tylko małą ilość prądu, to jego wyczerpanie pomiędzy cyklami jest minimalne. Zwiększenie wartości kondensatora pozwala zasilaczowi na dostarczenie większego prądu pomiędzy pulsami prostownika.
Niezależnie od wielkości kondensatora, nadal będą występować pulsacje. Dla obwodów wymagających bardzo stabilnego napięcia, np. komputerów, układów sterowania i regulatorów, jedynym rozwiązaniem jest zastosowanie regulacji napięcia.
Rys. 5. Elementy typowego regulowanego zasilania liniowego. Na rysunku pokazano również kształty przebiegu związanego z każdą sekcją
Regulacja
W zasilaczach stosuje się obwody z czujnikiem do stałego monitorowania ich wyjść. Gdy obwód zasilany lub elementy pobierają więcej prądu, czujnik wysyła sygnał do regulatora napięcia, który odpowiednio nastawia swoje wyjście. Regulator napięcia jest prostym obwodem, który działa w trybie pętli zamkniętej, regulując wyjście zasilacza. Obwód aktywnego filtru/regulatora może być dość złożony – w zależności od wymagań jakości napięcia wyprostowanego. Wiele nowoczesnych zasilaczy wykorzystuje regulatory oparte na układach scalonych i skomplikowanych projektach elektrycznych. W dużym skrócie: obwód regulacji napięcia wykorzystuje rezystor do badania zapotrzebowania mocy. Typowy tego typu obwód wykorzystuje jako czujnik wysokowatowy rezystor z bardzo małą, ale dokładną rezystancją, połączoną szeregowo z wyjściem zasilacza. Typowa rezystancja wynosi 0,1 W, a moc zależy od wielkości zasilania. Precyzja rezystora jest ważna, ponieważ przepływający przez rezystor prąd określa spadek napięcia na nim. Spadek napięcia na r
ezystorze zmienia się i wówczas różnica napięć jest podana na obwód prostownika, którego wyjście jest odwrotnie proporcjonalne do jego wejścia (wzmacniacz odwracający).
Regulacja przeciwdziała jakimkolwiek odchyleniom od napięcia ustawionego i poziomu prądu (rys. 5). Choć pulsacje z obwodu filtrującego mogą być nieduże, to jednak wiele obwodów wymaga bardziej wyprostowanego sygnału z niewielką ilością pulsacji, a obwód aktywnego filtru/regulatora jest niezwykle efektywny w ich minimalizowaniu.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Jack Smith, redaktor Plant Engineering
