Dodatkowa Filtracja w Zasilaczach Impulsowych
- Szczegóły
Zasilacze impulsowe (SMPS - Switched Mode Power Supplies) stanowią obecnie najpopularniejszą grupę zasilaczy, zyskując uznanie w automatyce przemysłowej, urządzeniach medycznych, zasilaniu oświetlenia LED oraz jako zasilacze komputerów, monitorów i konsol do gier. Ich działanie opiera się na przełączaniu tranzystora z dużą częstotliwością między stanami wysokiego i niskiego napięcia.
Jedną z zalet zasilaczy impulsowych jest ich sprawność, która wynosi 70-95%. Charakteryzują się one również niskimi stratami mocy, szerokim zakresem napięć wejściowych i wyjściowych, stabilnością napięcia wyjściowego oraz odpornością na zwarcia i przepięcia. Dodatkowo, mają mniejsze wymiary i wagę w porównaniu z transformatorami liniowymi.
Jednak zasilacze impulsowe mają również wady, takie jak tętnienia i zniekształcenia harmoniczne oraz szumy wyjściowe o wysokiej częstotliwości. Z tego powodu niezbędne jest zastosowanie dość skomplikowanych filtrów na wejściu i wyjściu, co wynika ze złożonej konstrukcji tych zasilaczy.
Źródła Zakłóceń w Zasilaczach Impulsowych
Zakłócenia w zasilaczach impulsowych powstają w związku z zasadą działania przetwornicy. Napięcie sieciowe musi być wyprostowane mostkiem prostowniczym, odfiltrowane z większości tętnień kondensatorem, a następnie podane na tranzystor pracujący na zasadzie "zamknięty/otwarty" z bardzo wysoką częstotliwością (czasem ponad 100kHz). Im wyższa częstotliwość, tym rdzeń transformatora może być mniejszy, a wymagana ilość zwojów powinna być mniejsza.
Choć wytwarzanie rdzeni ferrytowych do pracy z wyższymi częstotliwościami nie jest trudne ani kosztowne, zasilacze impulsowe wymagają zastosowania specjalnie dopracowanych technik prowadzenia ścieżek i dopasowanych do tych warunków elementów. Ponadto, tranzystory i kondensatory muszą wytrzymać duże częstotliwości tętnień, co prowadzi do ich szybszego zużywania się.
Przeczytaj także: Jak naprawić zasilacz w nawilżaczu?
Filtracja Napięcia Sieciowego i Wyjściowego
Na wejściu zasilacza znajduje się filtr wejściowy, którego zadaniem jest zabezpieczanie zasilacza i podłączonych urządzeń przed szkodliwymi zakłóceniami generowanymi przez sieć zasilającą. Po wyprostowaniu napięcia przemiennego za pomocą mostka prostowniczego, jest ono ponownie filtrowane w celu obniżenia przepięć i eliminacji powstałych zakłóceń. Stałe napięcie dociera do sekcji przełącznika (tranzystory MOSFET), który przekształca wygładzone napięcie stałe w przebieg prostokątny o wysokiej częstotliwości.
Po stronie wyjściowej, napięcie z wyjścia transformatora jest podawane na prostownik i prostowane w pulsacyjne napięcie prądu stałego. Filtr wyjściowy uśrednia wartość napięcia oscylacyjnego do stałego poziomu napięcia na wyjściu zasilacza.
Ważnym aspektem jest również ekranowanie transformatora, które pozwala wyeliminować fale elektromagnetyczne emitowane przez transformator.
Praktyczne Aspekty i Modyfikacje Filtracji
W celu poprawy filtracji napięcia w zasilaczach impulsowych, stosuje się różne techniki i elementy. Dyskusja na forum elektroda.pl dotyczyła doboru tranzystorów MOSFET, filtracji napięcia i połączeń mas. Zalecane jest stosowanie konfiguracji półmostkowej (half-bridge) z układem sterującym IR2153, co umożliwia pracę na napięciach 400-500 V i wymaga separacji galwanicznej między masami, np. za pomocą transoptorów lub transformatorów impulsowych. Połączenie masy wyjściowej z wejściową jest niewskazane.
W filtracji napięcia wysokiego sugeruje się użycie dławika oraz kondensatora o napięciu znamionowym około 380 V. Na wyjściach ±24 V można rozważyć zastosowanie dławików przed kondensatorami dla poprawy filtracji. Dodatkowo, stosuje się kondensatory ceramiczne o małej pojemności (1-2 nF) i wysokim napięciu (np. 2 kV) do tłumienia zakłóceń.
Przeczytaj także: Problemy z odwrotną polaryzacją
Warto również zwrócić uwagę na dobór kondensatorów filtrujących, które powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na duże częstotliwości tętnień. Małe kondensatory foliowe i ceramiczne są skuteczne dla wyższych częstotliwości, od kilku MHz po GHz.
Jeden z użytkowników forum opisał modyfikację zasilacza NISEI 12V 30A, polegającą na dołożeniu filtracji na wyjściu zasilacza. Zastosowano dławik sprzężony o indukcyjności 480uH, zblokowany obustronnie kondensatorami MKTX 100n od strony zasilacza i 220n od strony wyjściowej. Dodatkowo, na zaciskach wyjściowych dolutowano zestaw kondensatorów 1u, 100n, 4n7 i 470p.
Dobór dławika i kondensatorów jest trudny i wymaga eksperymentów. Ważne jest pasmo rdzenia, indukcyjność, rezystancja drutu, straty w nim oddawane w ciepło, maksymalna indukcja w rdzeniu (nasycenie) oraz rezonans własny dławika.
Zasilacz PS-1560 i jego filtracja
Zasilacz PS-1560 to niewielkich gabarytach urządzenie o imponującej wydajności prądowej. Posiada metalową obudowę i panel czołowy z tworzywa. Na panelu znajdują się pokrętła regulacyjne prądu i napięcia, duży wyświetlacz LCD, zaciski do zasilania urządzeń oraz wyłącznik główny. W środku obudowy umieszczono transformator przetwornicy. Na uwagę zasługuje dwustopniowa filtracja napięcia sieciowego oraz filtry na wyjściu przetwornicy.
| Cecha | Zasilacz Transformatorowy | Zasilacz Impulsowy |
|---|---|---|
| Sprawność | 30-60% | 70-95% |
| Rozmiar i waga | Duże | Małe |
| Tętnienia i szumy | Niskie | Wysokie (wymagają filtracji) |
| Złożoność konstrukcji | Prosta | Złożona |
| Koszty | Niskie | Wyższe (ze względu na filtry) |
Przeczytaj także: Porównanie Filtracji Napięcia: UPS i Generatory
tags: #zasilacz #impulsowy #dodatkowa #filtracja
