Układy zasilania elektrycznego to ogół urządzeń i elementów elektrycznych, które dostarczają energię elektryczną do różnych urządzeń i systemów elektrycznych. Służą one zapewnieniu niezbędnej energii elektrycznej do prawidłowego działania urządzeń elektrycznych oraz zapewnienia bezpiecznego i stabilnego dostarczania prądu elektrycznego.
Podział układów zasilania elektrycznego
Ogólnie można dokonać podziału układów zasilania elektrycznego na:
- Zasilanie prądem stałym (DC) – charakteryzuje się stałym, niezmiennym kierunkiem przepływu prądu elektrycznego.
- Zasilanie prądem przemiennym (AC) – jest to rodzaj zasilania, w którym wartość napięcia i kierunek przepływu prądu regularnie zmieniają się w czasie. Jest to najczęściej używany rodzaj zasilania w gospodarstwach domowych i przemyśle.
- Zasilanie bateryjne – jest to rodzaj zasilania, w którym źródłem energii są baterie lub akumulatory. Jest stosowane w urządzeniach przenośnych takich jak telefony komórkowe, laptopy czy urządzenia elektroniczne
- Zasilanie awaryjne – stosowane w celu zapewnienia ciągłości zasilania nawet w przypadku awarii w normalnym źródle zasilania.
- Zasilanie z odnawialnych źródeł energii – wykorzystuje źródła energii odnawialnej, takie jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna do produkcji energii elektrycznej.
Podział ze względu na rodzaj napięcia:
- stałe (niesymetryczne, symetryczne)
- przemienne (jednofazowe, trójfazowe)
Podział ze względu na rodzaj źródła energii:
- sieciowe
- bateryjne
W tym opracowaniu autor skupi się na omówieniu budowy i działania zasilaczy czyli układów zasilania elektrycznego, które są urządzeniami elektrycznymi przeznaczonymi do dostarczania stabilnego napięcia i prądu do innych urządzeń elektronicznych. Służą one do przekształcania napięcia zasilania zmiennego na napięcie stałe o odpowiedniej wartości, aby zapewnić prawidłowe działanie urządzenia docelowego. Zasilacze są to bardzo ważne urządzenia, ponieważ są stosowane w różnych urządzeniach sterowań przemysłowych oraz domowych, gdzie wymagane jest zasilanie napięciem stałym o stabilizowanej wartości. Napięcie takie może być wytwarzane przez sieciowe zasilacze transformatorowe lub zasilacze impulsowe. Podstawowe parametry stabilizowanego zasilacza napięcia stałego to :
- wartość napięcia wejściowego lub dopuszczalny zakres wartości napięcia wejściowego,
- wartość napięcia wyjściowego (często podawana z określoną tolerancją bezwzględną lub względną, np. 24 V ±0,5 V lub 24 V ±5 %),
- maksymalna wartość prądu wyjściowego zwana obciążalnością.
Parametry każdego zasilacza można odczytać z informacji zawartej na jego obudowie. Z zasilacza obok można odczytać, że napięciem wejściowym (INPUT) tego zasilacza jest napięcie sieciowe jednofazowe, w której wartość skuteczna napięcia wynosi od 100 V do 240 V, a częstotliwość – 50 Hz lub 60 Hz. Zasilacz ten dostarcza napięcie stałe o wartości 24 V, natomiast jego obciążalność prądowa wynosi 1,7 A (OUTPUT).
Poniżej zostanie omówiony zasilacz stabilizowany napięcia stałego, który jako swoje zadanie ma zapewnienie niezmienności wartości napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wejściowego zasilacza oraz zmianach wartości prądu pobieranego przez zasilane urządzenie. Najprostszym rodzajem takiego zasilacza jest zasilacz transformatorowy, którego schemat blokowy można przedstawić w postaci połączonych ze sobą bloków funkcjonalnych.
Każdy zasilacz powinien również posiadać układ przed przeciążeniem oraz zwarciem zacisków wyjściowych. Zadaniem transformatora jest przetworzenie energii prądu przemiennego z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, bez zmiany częstotliwości napięcia. Podstawową funkcją transformatora w zasilaczu napięcia stałego jest obniżenie wartości napięcia sieciowego. Transformatory w zasilaczach sieciowych mają dwa uzwojenia, nawinięte na wspólnym stalowym rdzeniu – uzwojenie pierwotne oraz uzwojenie wtórne.
Uzwojenie pierwotne transformatora sieciowego podłączane jest bezpośrednio do sieci energetycznej. Przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne prowadzi do powstania strumienia magnetycznego w rdzeniu, a to z kolei skutkuje wyindukowaniem się siły elektromotorycznej w uzwojeniu wtórnym.
Prostowniki (układy prostownicze) to układy przekształtnikowe do przetwarzania energii elektrycznej prądu przemiennego na prąd stały.
Głównym elementem układów prostowniczych jest dioda prostownicza. Diody prostownicze „prostują” napięcie lub prąd zmienny o małej częstotliwości, przetwarzając go na prąd jednokierunkowy; przewodzą prąd dopiero po przekroczeniu określonej wartości napięcia w kierunku przewodzenia.
Prostowniki niesterowane to układy, w których zastosowano wyłącznie diody prostownicze. Podstawową cechą prostowników jest przewodnictwo jednokierunkowe. Prąd jest przepuszczany bez większego spadku napięcia w jednym kierunku (od anody do katody). W przeciwnym kierunku (od katody do anody) prąd nie jest przepuszczany.
Najprostszym układem prostowniczym jest układ prostownika jednofazowego jednopołówkowego. Prostownik taki charakteryzuje się bardzo dużymi zmianami wartości napięcia wyjściowego w czasie zwanymi tętnieniami. Aby ograniczyć tętnienia, a tym samym otrzymać napięcie stałe, należy wyeliminować składową zmienną napięcia za pomocą kondensatora, zazwyczaj elektrolitycznego o dość dużej pojemności, włączonego równolegle do obciążenia prostownika. Wygładzanie napięcia polega na tym, że kondensator ładuje się, gdy napięcie na wyjściu prostownika jest większe od napięcia na kondensatorze. Następnie, gdy napięcie na wyjściu prostownika spada poniżej wartości napięcia na kondensatorze, następuje jego rozładowywanie. W tym czasie energia elektryczna zgromadzona w kondensatorze jest oddawana do obciążenia. Kondensator elektrolityczny to najprostszy, najczęściej stosowany i w większości przypadków wystarczający filtr tętnień w zasilaczach napięcia stałego. Jeśli jednak zachodzi potrzeba dokładniejszego eliminowania tętnień, stosuje się bardziej złożone układy wygładzające w postaci filtrów LC lub filtrów aktywnych.
W większości zasilaczy stabilizowanych stosuje się prostowniki dwupołówkowe (układ Greatza) , które pozwalają uzyskać na wyjściu zasilacza napięcie stałe o znacznie mniejszym współczynniku tętnień.
Prostownik dwupołówkowy można zbudować z czterech osobnych diod prostowniczych, ale na rynku są też dostępne gotowe mostki prostownicze w postaci jednego scalonego elementu.
Ostatnim elementem w zasilaczu napięcia stałego jest stabilizator, którego zadaniem jest utrzymywanie stałej wartości napięcia na wyjściu, niezależnie od wahań napięcia wejściowego oraz od zmian wartości prądu pobieranego przez urządzenie podłączone do wyjścia zasilacza.
Najprostszym stabilizatorem jest układ ze spolaryzowaną w kierunku zaporowym diodą Zenera.
Wykorzystuje się w nim kształt charakterystyki prądowo-napięciowej diody w zakresie przebicia, gdzie rezystancja dynamiczna diody jest bardzo mała, czyli dużym zmianom prądu płynącego przez diodę odpowiadają niewielkie zmiany napięcia na zaciskach diody.
Układ ten nie cechuje się wprawdzie zbyt wysoką jakością stabilizacji, jego istotnymi zaletami jednak są prosta konstrukcja oraz możliwość uzyskania dużych wartości prądu wyjściowego zasilacza. Szersze zastosowanie znajdują układy scalone stabilizatorów.
Innym typem zasilaczy niż transformatorowe stanowią zasilacze impulsowe.
Zasilacze impulsowe charakteryzują się odmienną i bardziej skomplikowaną budową niż zasilacze transformatorowe.
Pierwszym blokiem zasilacza impulsowego jest prostownik (np. mostek Graetza).
Bezpośrednio z wyjścia prostownika sygnał jest podawany na filtr wygładzający w celu zmniejszenia amplitudy tętnień. Powstałe w ten sposób napięcie stałe trafia do sekcji modulującej przekształcającej napięcie stałe na sygnał prostokątny o częstotliwości znacznie większej niż częstotliwość napięcia w sieci energetycznej oraz o zmiennej szerokości impulsu PWM. Sekcję modulatorów stanowią tranzystory unipolarne lub bipolarne. Powstały w sekcji modulującej sygnał prostokątny jest doprowadzany do uzwojenia pierwotnego transformatora. Dzięki temu, że częstotliwość sygnału pochodzącego z sekcji modulującej jest znacznie wyższa niż 50 Hz, transformatory zasilaczy impulsowych charakteryzują się o wiele mniejszymi gabarytami niż transformatory zasilaczy tradycyjnych. Napięcie wyindukowane po stronie wtórnej transformatora jest podawane na prostownik z filtrem wygładzającym.
Mimo dość skomplikowanej budowy zasilacze impulsowe są powszechnie stosowane w urządzeniach elektronicznych.
Podsumowując – autor tego opracowania pokusił się o określenie różnic pomiędzy zasilaczem stabilizowanym a zasilaczem impulsowym.
Zasilacz stabilizowany to rodzaj zasilacza, który utrzymuje stabilne napięcie wyjściowe niezależnie od zmian napięcia wejściowego lub obciążenia. Zasilacze stabilizowane są często stosowane w rozwiązaniach, które wymagają precyzyjnego i stabilnego napięcia, na przykład w elektronice przemysłowej, laboratoryjnej i w precyzyjnych urządzeniach pomiarowych.
Zasilacz impulsowy jest rodzajem zasilacza, który przetwarza napięcie zasilające na impulsowe napięcie wyjściowe za pomocą cyfrowych lub analogowych technik regulacji. Zasilacze impulsowe są zwykle bardziej efektywne i lżejsze od zasilaczy stabilizowanych, ale mogą generować więcej zakłóceń elektromagnetycznych. Zasilacze impulsowe są powszechnie stosowane w elektronice komputerowej, telekomunikacyjnej i w urządzeniach elektronicznych zasilanych z baterii. Podsumowując, główną różnicą między zasilaczem stabilizowanym a impulsowym jest sposób regulacji napięcia wyjściowego oraz ich zastosowanie. Zasilacze stabilizowane zapewniają stabilne napięcie wyjściowe, podczas gdy zasilacze impulsowe są bardziej efektywne i lżejsze, ale mogą generować więcej zakłóceń. O wyborze odpowiedniego zasilacza decyduje głównie rodzaj zastosowania, w której będzie używany.
