Zasilacze urządzeń elektrycznych

Większość urządzeń elektronicznych najlepiej funkcjonuje mając swoje własne, niezależne źródło zasilania. Thomas Edison był zagorzałym orędownikiem zasilania urządzeń elektrycznych prądem stałym, jednak do dziś używamy systemów dystrybucji energii w postaci prądu przemiennego, wymyślonych przez George’a Westinghouse’a, ponieważ przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości w postaci małych prądów przemiennych o dużym napięciu, jest bardziej efektywne.

Oczywiście to prawda, faktem jest jednak, że ostatecznie energię tę najczęściej spożytkowujemy w postaci prądu stałego. Wyjątkiem są chyba tylko aplikacje oświetlenia i ogrzewania. Dlatego też konieczne jest stosowanie w urządzeniach końcowych odpowiednich zasilaczy, które przetwarzają prąd zmienny na stały oraz ustalają dla niego odpowiedni poziom napięcia, zgodnie z wymogiem konkretnych zasilanych odbiorników.

Tradycyjny zasilacz stałoprądowy składa się z sekcji prostowniczej wytwarzającej prąd wyprostowany oraz sekcji regulacyjnej wytwarzającej sygnał wyjściowy o ustalonej wartości. W efekcie na wyjściu zasilacza otrzymuje się sygnał o stałej, określonej wartości napięcia, przystosowanej do konkretnych aplikacji 

Jak pokazano na schemacie. „Zasilacz tradycyjny z liniową regulacją napięcia”, przetwarzanie energii odbywa się w dwóch etapach: prostowania i regulacji napięcia. Prostowanie to zamiana prądu ze zmiennego (zmieniającego w czasie kierunek przepływu) na stały. W procesie tym mostek diodowy (Graetza) przetwarza prąd zmienny na pulsujący i dopiero znajdujący się na jego wyjściu filtr dolnoprzepustowy wygładza przebieg. Następnie obwód regulacji umożliwia ustalenie odpowiedniego poziomu napięcia wyjściowego. Zastosowany tu regulator liniowy ustala ten poziom za pomocą układu rezystorów o zmiennej wartości rezystancji i sygnałów sprzężenia zwrotnego z wyjścia zasilacza. Na tym etapie pojawia się podstawowy problem zasilaczy – wydzielanie zbyt dużych ilości ciepła przez tranzystory w układzie regulatora napięcia. To bardzo niekorzystne zjawisko!

Zasilacz typu SMPS to znacznie bardziej wydajny układ wytwarzania prądu stałego o regulowanej wartości, dzięki zastosowaniu sterowania tranzystorów typu całkowicie zamknięte lub otwarte. Sterowanie czasem otwarcia tranzystorów pozwala na precyzyjne regulowanie uśrednionej wartości sygnału wyjściowego

Podstawową różnicą pomiędzy zasilaczami tradycyjnymi a nowoczesnymi konstrukcjami zasilaczy impulsowych SMPS (schemat „Zasilacz impulsowy SMPS”) jest zasada regulacji prądu. Zamiast ciągłego przepływu prądu wyprostowanego, a następnie jego regulacji za pomocą sterowania odpowiednimi tranzystorami, tranzystory w zasilaczach impulsowych pracują tylko w dwóch stanach – całkowitego otwarcia lub zamknięcia. Sterowanie czasem ich otwarcia zależy od sygnałów sprzężenia zwrotnego z wyjścia zasilacza. Filtr na wyjściu układu modulacji impulsów prądowych uśrednia ich wartość, wytwarzając tym samym na wyjściu zasilacza wygładzony sygnał stałoprądowy. Ten układ filtracyjny zabezpiecza również przed powstaniem możliwego niedociążenia lub przeciążenia zasilacza, co mogłoby doprowadzić do utraty zdolności regulacyjnych wartości napięcia i prądu wyjściowego.

Kiedy tranzystor jest całkowicie otwarty, jego rezystancja ma wartość minimalną, w praktyce bliską zeru. W tym też stanie zerowe są także straty cieplne energii, bowiem dowolny prąd podniesiony do kwadratu i pomnożony przez zerową rezystancję, daje zerowe straty ciepła. Jeżeli tranzystor jest całkowicie zamknięty, jego rezystancja jest bardzo duża i skutkiem tego płynący przez niego prąd jest praktycznie równy zeru. W ten sposób starty cieplne energii również są zerowe.

Ostatecznie więc całkowite straty cieplne w układzie regulacyjnym zasilacza impulsowego SMPS są znacznie mniejsze od start liniowego regulatora w zasilaczu tradycyjnym. Rośnie sprawność i wydajność takiego zasilacza. Mniejsza emisja ciepła pozwala na zmniejszenie obudowy całego układu zasilającego. Zmniejsza się również obciążenie linii zasilającej zmiennoprądowej przez zasilacz, dlatego też można użyć w niej mniejszych transformatorów, co jeszcze bardziej ogranicza ogólne straty w układzie zasilania danego urządzenia. Kolejny etap redukcji strat w aspekcie globalnym to zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska przez elektrownie. W ten sposób dochodzimy do sedna rozważań o zasilaczach – zasilacze impulsowe typu SMPS są bardziej przyjazne środowisku naturalnemu.

ce

Artykuł pod redakcją
dr. inż. Andrzeja Ożadowicza
adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu
i Urządzeń Przemysłowych w Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie