Zasilacze małej mocy dla elektroniki

Obecnie znaczna część aplikacji, w których stosuje się jakiekolwiek źródło zasilania, należy do zasilaczy impulsowych. Dotyczy to także aplikacji, w których jeszcze niedawno zasilacz impulsowy nie mógł być zastosowany, np. sprzęt medyczny, pomiarowy czy wysokiej jakości systemy audio. Są to więc aplikacje, w których obok dostarczonej moc zasilającej ważne są także jakość tej mocy oraz bezpieczeństwo.

Zasilacze impulsowe

Podstawowym elementem konstrukcyjnym zasilacza impulsowego, jest przetwornica napięcia (rys. 1). Pierwsza sekcja zasilacza składa się z prostownika (zwykle mostka Graetza) i kondensatorów wygładzających tętnienia. Napięcie stałe dociera do sekcji kluczującej. W zasilaczach impulsowych jako klucze wykorzystuje się tranzystory, przełączane między stanem nasycenia i zatkania za pomocą impulsów sterujących o zmiennym współczynniku wypełnienia.

Utworzony w ten sposób przebieg prostokątny trafia na pierwotne uzwojenie transformatora. Częstotliwość impulsów (dochodząca do setek kHz) jest o wiele większa od częstotliwości sieci energetycznej, dzięki temu transformatory stosowane w zasilaczach impulsowych mogą być znacznie mniejsze niż w przypadku tradycyjnych zasilaczy transformatorowych.

Napięcie wychodzące z uzwojenia wtórnego trafia do prostownika złożonego z diod pracujących z dużą częstotliwością. Tętnienia napięcia na wyjściu są wygładzane przez filtr LC. Często stosuje się transformatory o kilku uzwojeniach wtórnych, co pozwala zwiększyć liczbę dostępnych napięć wyjściowych. Zasilacze impulsowe w zależności od miejsca ich pracy można podzielić na klika grup.

Podstawową różnicą pomiędzy nimi jest budowa wewnętrzna oraz ich przeznaczenie. Do grup tych zaliczamy: zasilacze z izolacją galwaniczną, zasilacze medyczne i konwertery DC-DC (nieizolowane i izolowane). Zasilacze impulsowe z izolacją galwaniczną to zasilacze współpracujące bezpośrednio z siecią energetyczną. Zasilacz taki musi w większości przypadków zapewnić ochronę przed porażeniem.

Z uwagi na dużą różnicę napięć pomiędzy wejściem i wyjściem, jego budowa jest zdecydowanie inna od pozostałych grup. Izolację wyjścia od napięcia sieciowego realizuje się za pomocą transformatora impulsowego zawierającego minimum dwa oddzielne uzwojenia. Jest wiele wykonań zapewniających przetwarzanie energii z izolacją, niemniej w przypadku zasilaczy o małej mocy liczy się w zasadzie tylko jedna – przetwornica zaporowa (rys. 1).

Zasilacze medyczne to wersje, w których położono nacisk na wysoką jakość izolacji pomiędzy stroną pierwotną zasilacza dołączaną do sieci energetycznej a stroną wtórną. Wiadomo, że każda izolacja ma skończoną wartość rezystancji i odporność na przebicie. W efekcie każdy zasilacz dołączony do sieci charakteryzuje się niewielkim prądem upływu wpływającym do zacisków wyjściowych.

W wielu standardowych konstrukcjach, pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, montowane są warystory i kondensatory zapewniające ochronę przed przepięciami, dające stabilną pracę pętli sprzężenia zwrotnego i brak pływającego potencjału przy braku obciążenia zacisków wyjściowych. Elementy te pogarszają jednak wartość prądu upływu i gdy potencjał, jaki może wystąpić na nieobciążonych zaciskach wyjściowych zasilacza powinien być mały, trzeba użyć zasilacza medycznego. Jego wtórna strona może być dołączana do ciała ludzkiego (w zależności od klasy wykonania).

Oczywiście za luksus niskiej upływności i spełnienie surowych norm medycznych trzeba ponieść wyższe koszty zakupu. Urządzenia zasilane z baterii, a więc sprzęt przenośny, systemy telekomunikacyjne, motoryzacyjne, moduły i mniejsze jednostki funkcjonalne, które wchodzą w skład większej całości i systemów, zwykle zasila się napięciem stałym. W takim przypadku realizacja zasilania następuje przede wszystkim za pomocą konwerterów DC-DC bez izolacji galwanicznej wykorzystujących jako element indukcyjny dławik.

Zasilacze te tworzą grupę najpopularniejszych na rynku przetworników, które wchodzą w skład wielu systemów zasilających. W układach takich wykorzystuje się jeden zasilacz izolowany, który przetwarza napięcie przemienne sieci na pośrednie napięcie stałe, które następnie doprowadzane jest do konwerterów DC-DC umieszczonych w sąsiedztwie zasilanych obwodów. Dlatego zasilacze te dostępne są w bardzo szerokim asortymencie wersji napięciowo- prądowych. Kosztem niewielkiej dodatkowej komplikacji układowej sprowadzającej się praktycznie tylko do innego transformatora można stworzyć przetwornicę DC-DC z izolacją.

Jest ona bardziej uniwersalna od wersji nieizolowanej. Pozwala też na uzyskanie kilku napięć wyjściowych. Izolowany konwerter modułowy zamknięty w obudowie DIL to jedno z najpopularniejszych rozwiązań układu zasilania. Podstawowe parametry modułowych konwerterów DC-DC defi niowane są przez napięcie wejściowe i wyjściowe, moc wyjściową, sprawność i obudowę.

Zakres napięć wejściowych zawiera się od 3–5V do nawet 72V, a wyjściowych od 1,8V do 48V. W przypadku wersji izolowanych dostępne są także przetwornice o wyjściu symetrycznym od 3V do 24V, co pokrywa większość typowych zastosowań w elektronice. Moc wyjściowa nie jest parametrem krytycznym, gdyż najmniejsze produkty oferują około 2W, a górna granica dla wersji modułowych sięga 10–15W (w zależności od obudowy).

Warto zwrócić uwagę na to, że dla wielu omawianych produktów zakres napięć wejściowych jest szeroki i definiowany stosunkiem napięć od 2:1 do 4:1. Zasilacze tego typu przeznaczone są do systemów zasilania rozproszonego, takich, w których istnieje szyna zasilająca dostarczająca napięcia o wartości pośredniej i do której dołączane są konwertery o różnych napięciach wyjściowych zasilające poszczególne bloki.

Sukces zasilaczy impulsowych

Rys. 1. Schemat ideowy przetwornicy zaporowej

Najważniejszym czynnikiem, który wpłynął na „przebicie się” zasilaczy impulsowych do wielu aplikacji wcześniej dla nich niedostępnych, jest wysoka niezawodność, z którą dawniej bywały problemy oraz wspieranie innych trendów nieustannie obowiązujących w elektronice, takich jak miniaturyzacja i energooszczędność. Oczywiście dość istotnym jest fakt spadku cen, jaki można zaobserwować w ostatnich latach.

W zasilaczach impulsowych, dostępnych obecnie na rynku, liczba układów zabezpieczających jest na tyle duża, że zasilacza praktycznie nie da się uszkodzić, a czas MTBF liczony jest w setkach tysięcy godzin. Postęp w zakresie podzespołów półprzewodnikowych mocy praktycznie wyeliminował także dokuczliwe problemy z dużą wrażliwością zasilaczy AC/DC na niestabilności pojawiające się w sieci energetycznej.

Dzisiaj standardem jest praca w szerokim zakresie napięć zasilania od około 80V do 260V, co pozwala współpracować z dowolną siecią energetyczną na całym świecie i jest to zaleta bardzo ceniona zwłaszcza przez firmy działające na rynku globalnym. Na rynku pojawiają się zasilacze zdolne do pracy przy napięciu zasilania z zakresu 90–550V, a więc zarówno jednofazowym w USA, jak i trójfazowym i to z dużym zapasem.

Rosnąca niezawodność zasilaczy powoduje wzrost zaufania do nich konstruktorów, którzy przestali się obawiać przykrych awarii i aplikują te wyroby bez niepotrzebnej rezerwy. Mimo że ten artykuł zajmuje się zasilaczami o mocy do 50W, w niektórych konstrukcjach pojawia się korektor współczynnika mocy. Blok ten powoli staje się znakiem nadchodzącego nowego podejścia do systemów zasilających oraz również wynika z tego, że po prostu zasilaczy w naszym otoczeniu jest już bardzo dużo.

Do niedawna korekcja kształtu prądu pobieranego przez zasilacz, tak aby miał on sinusoidalny kształt i był w fazie z napięciem wejściowym, dotyczyła jednostek o większej mocy, jednak w miarę upływu czasu korektor pojawia się w rozwiązaniach mniejszych.

Impulsowy kształt pobieranego prądu z sieci energetycznej przez klasyczne zasilacze impulsowe staje się problemem w dużych systemach np. telekomunikacyjnych lub przemysłowych, gdzie wiele jednostek pracujących równolegle powoduje niepotrzebnie zwiększone zapotrzebowanie na moc zasilania.

Podsumowanie

Rynek zasilaczy impulsowych małych mocy nie jest duży, ale przez wiele firm zwłaszcza handlowych czy produkcyjnych jest uznawany za wartościowy. Coraz większa liczba polskich producentów drobnej elektroniki czy prostych urządzeń stosowanych w automatyce przemysłowej projektuje i wprowadza do swojej standardowej oferty handlowej zasilacze impulsowe o różnych mocach i standardowych napięciach stosowanych w tej branży (12 i 24V).

Wynika to z faktu, że każde urządzenie elektroniczne trzeba wyposażyć w jakieś źródło zasilania, dlatego zbyt na zasilacze (małych i dużych mocy i w różnych wariantach wykonania) jest nie tylko stabilny, ale i odnotowujący coroczne wzrosty. Jednym z głównych dostawców zasilaczy na terenie Polski i Europy jest łódzka firma Transfer Multisort Elektronik.

Posiada ona w swojej ofercie pełen zakres zasilaczy od przemysłowych (do montażu na szynie DIN, do wbudowania lub w wersji otwartej), poprzez zasilacze do aplikacji LED-owych, a na zasilaczach dogniazdkowych i komputerowych kończąc. W ofercie TME znajdują się zarówno zasilacze znanych, markowych producentów, jak np. Mean Well, Cobi Electronic, Sunny, jak i nowych, nieznanych jeszcze na naszym rynku producentów, jak np. Enstick.

Dostępne są także różne wykonania zasilaczy: buforowe, do laptopów, stabilizowane lub niestabilizowane, z wyjściami regulowanymi (ładowarki dogniazdkowe), ale także wykonania jako reduktory napięcia, przetworniki DC/DC, systemy zasilania awaryjnego (tzw. zasilacze buforowe), oraz coraz popularniejsze przetwornice samochodowe (DC/AC).

Transfer Multisort Elektronik
www.tme.pl