Wnętrze zasilacza: Kluczowe komponenty i sposób ich działania

Zasilacze stanowią nieodłączną część szerokiego spektrum urządzeń elektronicznych. Od prostych urządzeń gospodarstwa domowego po złożone systemy przemysłowe — wszędzie tam znajdziemy zasilacze. Choć mogą się one różnić budową, mają jedno wspólne zadanie: przekształcać energię elektryczną ze źródła w formę odpowiednią dla poszczególnych układów elektronicznych. W tym artykule przyjrzymy się zasilaczom transformatorowym i impulsowym, a także omówimy szczegółowo ich kluczowe komponenty i zabezpieczenia.

Zasilacze transformatorowe i impulsowe

Zasilacze transformatorowe

Zasilacze transformatorowe są jednymi z najstarszych i najprostszych typów zasilaczy. Ich głównym elementem jest transformator, który redukuje napięcie sieciowe do poziomu odpowiedniego dla urządzeń. Zasilacze te cechują się prostą konstrukcją, dużą stabilnością napięcia wyjściowego, ale mają niższą efektywność i większe rozmiary w porównaniu do zasilaczy impulsowych.

Kluczowe komponenty:

Transformator: Obniża napięcie sieciowe z poziomu AC do niższego poziomu wymaganego do dalszej konwersji.

Prostownik: Najczęściej mostkowy, zamienia napięcie z AC na DC.

Filtr: Kondensatory wygładzają napięcie, eliminując tętnienia.

Stabilizator napięcia: Utrzymuje stałe napięcie mimo wahań w obciążeniu i napięciu wejściowym.

Działanie:

Transformator obniża napięcie, a prostownik przekształca prąd zmienny w prąd stały. Następnie kondensatory wychwytują szumy napięcia, zapewniając stabilne zasilanie dla podłączonych urządzeń. Stabilizator dba o to, by mimo wahań, napięcie wyjściowe pozostało na stałym poziomie.

Zasilacze impulsowe (SMPS)

Zasilacze impulsowe, czyli Switch Mode Power Supplies (SMPS), są bardziej wydajne energetycznie i mają mniejszy rozmiar niż liniowe. Ich zasada działania opiera się na przetwarzaniu wysokiej częstotliwości, co umożliwia zastosowanie mniejszych i lżejszych transformatorów.

Kluczowe komponenty:

Przetwornica: Zmienia napięcie DC i pracuje na wysokiej częstotliwości.

Transformator HF: Mały rozmiar dzięki pracy przy wysokich częstotliwościach.

Prostownik: Drugi prostownik DC zapewnia konwersję powrotną na DC po transformacji.

Kondensatory i cewki: Filtrują i wygładzają napięcie, podobnie jak w zasilaczach liniowych.

Układ kontrolny: Zarządza pracą kluczy tranzystorowych i stabilizacją napięcia.

Działanie:

Zasilacze impulsowe konwertują napięcie sieciowe na DC, przetwarzają je przez przetwornicę na sygnał HF, transformują do pożądanego poziomu napięcia, a następnie ponownie prostują na DC. Wysoka częstotliwość pracy pozwala na użycie mniejszych komponentów pasywnych oraz minimalizację strat energii.

Zabezpieczenia w zasilaczach

Zasilacze są wyposażone w szereg zabezpieczeń, które chronią zarówno sam zasilacz, jak i podłączone do niego urządzenia przed różnymi rodzajami uszkodzeń.

Zabezpieczenia przeciwprzeciążeniowe

Zabezpieczenia te zapobiegają przeciążeniom, które mogą uszkodzić zasilacz. Dzięki detekcji nadmiernego przepływu prądu, zasilacz może obniżać moc wyjściową lub całkowicie odcinać zasilanie, chroniąc w ten sposób inne elementy obwodu.

Działanie: Używa mechanizmów pomiaru natężenia prądu na wyjściu. Kiedy przekroczony zostanie bezpieczny próg, aktywowana jest ochrona, odcinając lub zwalniając prąd.

Zabezpieczenia przeciwzwarciowe

Chronią przed zwarciami na wyjściu zasilacza, które mogłyby prowadzić do poważnych uszkodzeń zarówno zasilacza, jak i podłączonych urządzeń.

Działanie: Przy zwiadach zasilacz automatycznie wyłącza się lub przechodzi w tryb chroniony, aby zredukować przepływ prądu.

Zabezpieczenia termiczne

Zabezpieczenia te chronią przed przegrzewaniem się zasilacza wskutek nadmiernego obciążenia lub nieodpowiednich warunków zewnętrznych.

Działanie: Bada temperaturę za pomocą czujników termicznych. Kiedy temperatura zbliża się do niebezpiecznego poziomu, zasilacz może obniżyć moc lub się wyłączyć.

Zabezpieczenia przepięciowe

Zabezpieczenia te chronią zasilacz oraz podłączone urządzenia przed nagłymi skokami napięcia, które mogą uszkodzić czułą elektronikę.

Działanie: Monitoruje napięcie i izoluje komponenty przy wykryciu anomalii. Stosowane są tu takie rozwiązania jak ograniczniki przepięć lub warystory.

Elementy kluczowe w zasilaczach

Transformator

Funkcja i konstrukcja

Transformator w zasilaczu ma za zadanie zmniejszenie napięcia z sieciowego poziomu AC do niższego poziomu wymaganego do dalszej konwersji i użytkowania. Transformator dokonuje tego poprzez zasadę indukcji elektromagnetycznej, wykorzystując parę uzwojeń (pierwotne i wtórne) nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Liczba zwojów w tych uzwojeniach określa stosunek przekształcenia napięcia.

Uzwojenia: Składają się z drutów miedzianych o wysokiej czystości, aby zminimalizować straty energetyczne i zapewnić wysoką efektywność przenoszenia energii.

Rdzeń: Zazwyczaj wykonany z materiałów ferromagnetycznych, takich jak stal krzemowa, co zwiększa efektywność magnetyczną transformatora i zmniejsza straty cieplne.

Typy transformatorów

Transformator Toroidalny: Posiada kształt pierścienia, co pozwala na mniejsze rozproszenie strumienia magnetycznego, a także wyższą efektywność i możliwość mniejszej emisyjności hałasu elektromagnetycznego.

Transformator Laminowany: Tradycyjny typ transformatora z płaskimi blachami tworzącymi rdzeń, bardziej odporny na przegrzania.

Prostownik

Funkcja i rodzaje

Prostownik ma za zadanie przemienić prąd zmienny (AC) na prąd stały (DC), co jest niezbędne dla zasilania większości obwodów elektronicznych. Najczęściej w zasilaczach stosuje się prostownik mostkowy Graetza, który zapewnia pełnookresowe prostowanie prądu.

Prostownik jednopołówkowy: Wykorzystuje tylko jedną połówkę fali sinusoidalnej, co prowadzi do znacznych strat energii i nieefektywnego wykorzystania prądu.

Prostownik dwupołówkowy (mostkowy): Składa się z czterech diod, które przewodzą naprzemiennie obie połówki fali, co podnosi efektywność konwersji i stabilność napięcia.

Konstrukcja diod

Dioda prostownicza jest elementem półprzewodnikowym, który przewodzi prąd w jednym kierunku. Dioda w prostowniku mostkowym jest odpowiedzialna za przemienność prądu jednocześnie z dwiema połówkami sygnału, co ostatecznie prowadzi do uzyskania ciągłego napięcia stałego.

Filtr (Kondensatory wygładzające)

Funkcja i działanie

Filtry mają na celu eliminację tętnień, które są nieuniknione po procesie prostowania, zapewniając równomierne napięcie zasilające. Kondensatory oraz cewki są kluczowym elementem filtrów w zasilaczu.

Kondensatory elektrolityczne: Służą do magazynowania ładunku elektrycznego, co pozwala na wygładzenie skoków napięcia i znaczące zmniejszenie tętnień. Charakteryzują się dużą pojemnością, co jest korzystne dla redukcji niskoczęstotliwościowych tętnień.

Cewki: Mogą być dodane do filtrów w celu redukcji tętnień o wyższej częstotliwości oraz usuwania szumów.

Zastosowanie i typy filtrów

Filtr dolnoprzepustowy: Usuwa szumy o wysokiej częstotliwości i bardziej stabilizuje napięcie wyjściowe.

Filtr aktywny: Używa aktywnych komponentów, jak wzmacniacze operacyjne, w celu precyzyjniejszej regulacji i zmniejszenia tętnień.

Stabilizator napięcia

Funkcja i rodzaje

Stabilizator napięcia zapewnia, że wyjściowe napięcie jest utrzymywane na stabilnym poziomie, bez względu na wahania napięcia wejściowego lub zmieniające się warunki obciążenia.

Liniowy stabilizator napięcia: Zapewnia stabilne napięcie wyjściowe, rozpraszając nadmiar energii w postaci ciepła. Jest prosty w konstrukcji i idealny do zastosowań, gdzie wymagana jest niewielka różnica pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym.

Impulsowy stabilizator napięcia: Działa na zasadzie modulacji szerokości impulsów, co czyni go bardziej efektywnym przy większych różnicach napięcia oraz wyższej mocy wyjściowej. Może być wykorzystywany w zasilaczach regulowanych.

Zalety i wady:

Stabilizatory liniowe: Oferują niski poziom szumów wyjściowych i prostotę konstrukcji, ale mogą prowadzić do znacznych strat energii w postaci ciepła.

Stabilizatory impulsowe: Charakteryzują się wyższą efektywnością energetyczną, szczególnie w szerokim zakresie napięć wejściowych, lecz mogą wprowadzać szumy o wyższej częstotliwości, które należy odpowiednio filtrować.

Nowoczesne technologie w zasilaczach

W miarę jak technologia się rozwija, rosną także wymagania dotyczące zasilaczy. Efektywność energetyczna, rozpraszanie ciepła i miniaturyzacja są kluczowymi trendami. Zastosowanie tranzystorów GaN (azotek galu) zamiast tradycyjnych krzemowych poprawia efektywność zasilaczy impulsowych poprzez redukcję strat przy wysokich częstotliwościach.