Budowa_zasilacza.pdf

(3626 KB) Pobierz

Budowa zasilacza

Budowa zasilacza

Każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obniżającego

napięcie sieci 220V, czyli po prostu transformatora i układu zamieniającego obniżone

napięcie przemienne na stałe, czyli układu prostownika z filtrem. Jeżeli do tego napięcia

wyjściowe muszą być o małych tętnieniach (czyli zmianach wartości napięcia

wyjściowego), to zasilacz musi być wyposażony w odpowiednie układy stabilizatorów.

Schemat blokowy takiego zasilacza pokazany jest na rys.1.

rys.1

Wbrew pozorom zaprojektowanie zasilacza nie jest wcale takie proste jeżeli chce się

to zrobić w sposób optymalny, biorąc pod uwagę wszystkie zakładane parametry

wyjściowe zasilacza, oraz warunki w jakich mu przyjdzie pracować (np. zmiany

napięcia wejściowego czyli napięcia sieci).

Projektowanie zasilacza należy zacząć od określenia wartości napięć wyjściowych,

dopuszczalnych tętnień (czyli zmian napięć wyjściowych) oraz maksymalnych prądów

wyjściowych. Trzeba określić czy będzie to zasilacz stabilizowany czy też

niestabilizowany.

Poniżej przedstawione zostaną etapy projektowania zasilacza sieciowego. Etapy te będą

poparte przykładowymi obliczeniami, które w efekcie końcowym dadzą projekt

zasilacza stabilizowanego o trzech napięciach wyjściowych.

Określenie

parametrów

zasilacza

W pierwszej kolejności przy projektowaniu zasilacza trzeba sobie odpowiedzieć na

pytanie do jakich celów będzie on używany.

Jeśli ma być to zasilacz "laboratoryjny" czyli zasilacz, który będzie służył do

uruchamiania różnych układów elektronicznych to powinien spełniać następujące

warunki:

1. musi to być zasilacz stabilizowany

2. powinien mieć trzy napięcia wyjściowe

o - stałe +5 V przy prądzie obciążenia przynajmniej 1,5 A

o - regulowane od 0 V do +15 V przy prądzie obciążenia 1 A

o - regulowane od 0 V do -15 V przy prądzie obciążenia 1 A

3. napięcia tętnień nie powinny przekraczać 2% wartości napięcia wyjściowego

4. powinien posiadać zabezpieczenie przeciwzwarciowe

214480058.139.png

214480058.150.png

214480058.161.png

214480058.172.png

214480058.001.png

214480058.012.png

214480058.023.png

5. powinien mieć możliwość wyświetlania ustawionej wartości napięć

regulowanych

Oczywiście są to przykładowe parametry. Można zwiększać wartości prądów

wyjściowych czy też zmieniać wartości napięć wyjściowych lub zrezygnować z

możliwości regulacji napięć wyjściowych, co znacznie upraszcza konstrukcję.

Jeśli projektowany zasilacz ma być fragmentem układu elektronicznego to jego

parametry będą zależeć od wymagań stawianych przez ten układ. Na przykład dla

układów wzmacniaczy mocy nie projektuje się zasilaczy stabilizowanych.

Dla przykładu, na którym będzie się opierać dalszy tok projektowania określone sa

następujące warunki jakie będzie miał spełniać zasilacz:

1. zasilacz stabilizowany

2. trzy napięcia wyjściowe

o - stałe +5 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1,5 A

o - stałe +12 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1 A

o - stałe -12 V z dokładnością nie gorszą niż 4%, prąd obciążenia 1 A

3. napięcia tętnień maksimum 2% wartości napięcia wyjściowego

4. powinien posiadać zabezpieczenie przeciwzwarciowe

Oczywiście są to minimalne założenia, ale wystarczające aby zrozumieć istotę problemu

projektowania

zasilaczy.

Na rysunku .2 przedstawiony jest schemat blokowy zasilacza, który będzie przedmiotem

dalszych etapów projektowania.

rys.2

Zasadę rysowania schematów blokowych dobrze jest stosować zawsze przy

projektowaniu układów elektronicznych. Schemat blokowy podzieli cały układ na bloki

funkcjonalne co ułatwia i przyśpiesza projektowanie.

Transformator

Najtrudniejszym chyba zadaniem jest właściwy dobór transformatora, gdyż musi on

uwzględniać wiele czynników mających wpływ na pracę zasilacza takich jak:

214480058.034.png

214480058.045.png

214480058.056.png

214480058.067.png

214480058.078.png

214480058.089.png

214480058.098.png

214480058.099.png

214480058.100.png

214480058.101.png

214480058.102.png

214480058.103.png

214480058.104.png

214480058.105.png

214480058.106.png

214480058.107.png

214480058.108.png

214480058.109.png

214480058.110.png

214480058.111.png

214480058.112.png

214480058.113.png

214480058.114.png

214480058.115.png

214480058.116.png

214480058.117.png

214480058.118.png

214480058.119.png

214480058.120.png

214480058.121.png

214480058.122.png

214480058.123.png

214480058.124.png

214480058.125.png

214480058.126.png

214480058.127.png

214480058.128.png

214480058.129.png

214480058.130.png

214480058.131.png

214480058.132.png

214480058.133.png

214480058.134.png

214480058.135.png

214480058.136.png

214480058.137.png

214480058.138.png

214480058.140.png

214480058.141.png

214480058.142.png

214480058.143.png

214480058.144.png

214480058.145.png

214480058.146.png

214480058.147.png

214480058.148.png

214480058.149.png

214480058.151.png

214480058.152.png

214480058.153.png

214480058.154.png

214480058.155.png

214480058.156.png

214480058.157.png

214480058.158.png

214480058.159.png

214480058.160.png

214480058.162.png

214480058.163.png

214480058.164.png

214480058.165.png

214480058.166.png

214480058.167.png

214480058.168.png

214480058.169.png

214480058.170.png

214480058.171.png

214480058.173.png

214480058.174.png

214480058.175.png

214480058.176.png

214480058.177.png

214480058.178.png

214480058.179.png

214480058.180.png

214480058.181.png

214480058.182.png

214480058.002.png

214480058.003.png

214480058.004.png

214480058.005.png

214480058.006.png

214480058.007.png

214480058.008.png

214480058.009.png

214480058.010.png

214480058.011.png

214480058.013.png

214480058.014.png

214480058.015.png

214480058.016.png

214480058.017.png

214480058.018.png

214480058.019.png

214480058.020.png

214480058.021.png

214480058.022.png

214480058.024.png

214480058.025.png

214480058.026.png

214480058.027.png

214480058.028.png

214480058.029.png

214480058.030.png

214480058.031.png

214480058.032.png

214480058.033.png

214480058.035.png

214480058.036.png

214480058.037.png

214480058.038.png

214480058.039.png

214480058.040.png

214480058.041.png

214480058.042.png

214480058.043.png

214480058.044.png

214480058.046.png

214480058.047.png

214480058.048.png

214480058.049.png

214480058.050.png

214480058.051.png

214480058.052.png

214480058.053.png

214480058.054.png

214480058.055.png

214480058.057.png

214480058.058.png

214480058.059.png

214480058.060.png

214480058.061.png

214480058.062.png

214480058.063.png

214480058.064.png

214480058.065.png

214480058.066.png

214480058.068.png

214480058.069.png

214480058.070.png

214480058.071.png

214480058.072.png

214480058.073.png

214480058.074.png

• dopuszczalny zakres zmian napięcia sieciowego czyli 230V ±10% (to nie jest

pomyłka, przyjęło się 220V gdyż tak było do tej pory, ale w związku z procesem

integracji europejskiej i u nas zostały wprowadzone zmiany co do wymagań na

napięcie sieci)

• spadek napięcia na prostowniku

• spadek napięcia na stabilizatorze

• minimalną wartość napięcia potrzebnego do poprawnej pracy układu

stabilizatora

• straty napięcia wyjściowego wynikające z rezystancji wewnętrznej uzwojeń

transformatora

• moc wyjściową zasilacza i straty mocy na poszczególnych elementach zasilacza

Przy projektowaniu zasilaczy dużą rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna R w uzwojeń

transformatora rysunek 3

rys.3

. Jest to bardzo ważny parametr, jednak najczęściej zapomina się o nim. Często słyszy

się określenia, że transformator jest bardziej lub mniej "miękki", czyli że napięcie

wyjściowe zmniejsza się przy zwiększaniu obciążenia. Za taki efekt odpowiedzialna jest

właśnie rezystancja uzwojeń.

Rezystancję wewnętrzną można obliczyć na podstawie podawanych przez producenta

transformatorów wartości znamionowych napięć i prądów (U nsk , I nsk - są to wartości

skuteczne) oraz współczynnika s u określającego spadek napięcia przy obciążeniu

znamionowym. Współczynnik s u nie zawsze jest podawany ale można go wyliczyć

znając napięcie biegu jałowego U 0sk (bez obciążenia), które wystarczy zmierzyć.

s u =U 0sk /U nsk

Korzystając z tego wzoru można wyliczyć rezystancję wewnętrzną R w transformatora

R w =(U 0sk - U nsk )/I nsk

Rezystancja wewnętrzna transformatora ma wpływ na

• spadek napięcia wyjściowego transformatora pod obciążeniem

• prąd szczytowy przewodzenia diody w układzie zasilacza, a co za tym idzie

również na spadek napięcia na diodzie

214480058.075.png

214480058.076.png

214480058.077.png

214480058.079.png

214480058.080.png

214480058.081.png

Aby w pełni zrozumieć jakie znaczenie ma rezystancja wewnętrzna transformatora

najlepiej jest przeanalizować przykład porównujący pracę transformatora obciążonego

rezystancją obciążenia R L (rys. 4) i pracę transformatora w układzie zasilacza z

prostowaniem dwupołówkowym obciążonego tą samą rezystancją R L (rysunek 5).

rys.4

rys.5

Układ z rysunku 4 jest to po prostu transformator obciążony rezystancją R L . Prąd I

płynący przez obciążenie R L zależy bezpośrednio od wartości tego obciążenia i napięcia

U na wyjściu transformatora. Jak widać na przebiegach prąd I (linia czerwona) płynie

bez przerwy i w obu kierunkach - jest to też sinusoida jak i dla napięcia U. Napięcie U

pod obciążeniem (linia zielona) jest nieco niższe od napięcia biegu jałowego (linia

szara) i zależy od spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej wywołanego prądem I.

Zupełnie inaczej sprawa przedstawia się gdy transformator pracuje z prostownikiem

tak jak na rysunku .5. W tym układzie prąd I, który wypływa z transformatora nie jest

już tylko zależny od obciążenia R L . Prąd ten płynie tylko w krótkim czasie gdy napięcie

na kondensatorze spadnie na tyle aby umożliwić przewodzenie mostka prostowniczego

i doładowanie kondensatora. Jak widać na przebiegach z rys.5 wartość prądu I

doładowującego kondensator jest dużo większa niż dla układu z rys. 4. Przy tak dużej

chwilowej wartości prądu płynącego przez uzwojenie wtórne transformatora spadek

214480058.082.png

214480058.083.png

214480058.084.png

214480058.085.png

214480058.086.png

214480058.087.png

214480058.088.png

214480058.090.png

214480058.091.png

214480058.092.png

214480058.093.png

214480058.094.png

214480058.095.png

214480058.096.png

214480058.097.png

napięcia na rezystancji wewnętrznej jest dużo większy niż w układzie z rys. 4. Większy

prąd powoduje więc znaczny spadek napięcia wyjściowego transformatora.

Wydawałoby się, że lepiej jest stosować w takim razie sztywne transformatory (o małej

rezystancji uzwojeń), ale to z kolei sprawi, że popłynie większy prąd przez mostek

prostowniczy powodując zwiększenie spadku napięcia na przewodzących diodach

nawet dwukrotnie. Dla typowych diod z rodziny 1N4001 ... 1N4007 będzie to oznaczało

zwiększenie spadku z 1V (przy 1A) nawet do ponad 1,5V, co dla układu mostkowego

da obniżenie napięcia wyjściowego zasilacza nawet o 3V.

Podsumowując nie da się określić wprost jakie będzie naprawdę napięcie

wyjściowe z prostownika. Będzie ono na pewno niższe niż wynikałoby to z prostego

przemnożenia katalogowej wartości napięcia nominalnego U nsk pomnożonego przez

pierwiastek z dwóch. Dlatego należy dobierać transformator o mocy większej niż

wynikałoby z porównania mocy wyjściowej jaką potrzebujemy z katalogową wartością

mocy transformatora. Niektóre prace poświęcone tym zagadnieniom podają, że różnica

ta powinna być nawet

Na moc prądu stałego dla układu z rys.5 składa się moc oddawana do obciążenia czyli

I L · U L i moc strat na prostowniku czyli 2U D · I L , gdzie I L jest średnim prądem obciążenia,

a U D to spadek napięcia na diodzie przy prądzie I L . Ponieważ zgodnie z wcześniejszymi

rozważaniami wartość chwilowa prądu ładowania kondensatora jest dużo większa od

wartości średniej prądu I L , to aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnej mocy

strat transformatora, jego moc znamionowa powinna być większa od mocy prądu

stałego, co można przedstawić wzorem:

P Tr = α · I L · (U L + 2U D )

gdzie α jest współczynnikiem umożliwiający uwzględnienie większej wartości

skutecznej prądu. Dla układu jak na rys..5 współczynnik ten powinien wynosić 1,2. W

praktyce lepiej jest przyjąć 1,5 co oczywiście będzie skutkowało większymi wymiarami

transformatora ale da w zamian lepszą sprawność układu.

Dla zasilacza, który chcemy zaprojektować bilans mocy potrzebny do określenia

mocy transformatora przeprowadzę dopiero po wyborze układów prostowników i ich

ilości oraz układów stabilizatorów i określeniu wartości napięć wyjściowych

transformatora.

Teraz należy się zastanowić ile uzwojeń wtórnych powinien mieć transformator,

który będziemy chcieli zastosować. Dla zasilacza, którego parametry i zastosowanie

określono wcześniej dobrze jest zastosować transformator o trzech uzwojeniach

wtórnych - symbol takiego transformatora jest pokazany na rysunku 6. Dwa uzwojenia

będą o takiej samej wartości napięcia oraz obciążalności i będą służyły do uzyskania

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin