Zasilacz impulsowy

Wnętrze ładowarki telefonu komórkowego - zasilacz impulsowego typu flyback. Po prawej stronie część z napięciem sieciowym, w środku transformator (czerwony).

Zasilacz impulsowy – zasilacz zbudowany w oparciu o przetwornicę napięcia.

Budowa

Przykładowy schemat zasilacza impulsowego o topologii flyback

Wnętrze zasilacza komputerowego wykonanego w topologii half-bridge (półmostek): A) mostek prostowniczy, B) kondensatory półmostka, C) transformator, D) dławiki, E) kondensatory filtrów napięć wyjściowych.

Pierwsza sekcja, występująca tylko w zasilaczach sieciowych, służy do przetworzenia napięcia przemiennego na napięcie jednokierunkowe i zmniejszenie jego zmian. Sekcja ta składa się z prostownika (zwykle mostka Graetza) i kondensatorów wygładzających tętnienia.

Napięcie stałe dociera do sekcji kluczującej. W zasilaczach impulsowych jako klucze wykorzystuje się tranzystory, przełączane między stanem nasycenia i zatkania przy pomocy impulsów sterujących o zmiennej długości (modulacja szerokości impulsów). Utworzony w ten sposób przebieg prostokątny napięcia trafia na uzwojenie pierwotne transformatora. Częstotliwość impulsów (dochodząca do setek kHz) jest o wiele większa od częstotliwości sieci energetycznej, dzięki temu transformatory stosowane w zasilaczach impulsowych mogą być znacznie mniejsze niż w przypadku tradycyjnych zasilaczy transformatorowych.

Napięcie wychodzące z uzwojenia wtórnego transformatora zasilacza impulsowego trafia do prostownika złożonego z diod pracujących z dużą częstotliwością. Tętnienia napięcia są wygładzane przez dławiki i kondensatory o dużej pojemności. Jeśli w transformatorze zastosowano kilka uzwojeń wtórnych, zasilacz dostarcza kilka różnych napięć wyjściowych.

Wyróżnia się następujące topologie zasilaczy impulsowych:

• Flyback (dwutaktowy z gromadzeniem energii w polu magnetycznym rdzenia). W fazie pierwszej klucz tranzystorowy jest zwarty i poprzez uzwojenie pierwotne gromadzi energię w polu magnetycznym rdzenia transformatora. Kiedy tranzystor zostaje wyłączony, rdzeń oddaje energię poprzez indukcję na uzwojenie wtórne (flyback oznacza wyindukowanie impulsowego napięcia). Częstotliwość ładowania jest stała, ale czas trwania impulsów jest kontrolowany przez układ elektroniczny i jest zależny od obciążenia po stronie wtórnej. Topologia flyback wykorzystywana jest głównie w zasilaczach małej mocy, np. w ładowarkach do telefonów komórkowych. Pozwala na konstrukcję bardzo prostych zasilaczy, których jednak główną wadą jest niższa sprawność energetyczna (w porównaniu do innych topologii).
• Half-bridge (pół-mostek) i full-bridge (pełny mostek) to układy pod względem konstrukcyjnym podobne do transformatora sieciowego, do działania potrzebują napięcia przemiennego na uzwojeniu pierwotnym. Przebieg napięcia nie jest sinusoidalny lecz prostokątny, generowany przez 2 (w half-bridge) lub 4 (w full-bridge) tranzystory, ponieważ nie ma takiej potrzeby, zmniejsza to także straty i upraszcza układ. Parametry przebiegu są regulowane przez układ scalony w celu utrzymania stałego napięcia po stronie wtórnej w zależności od obciążenia. Do przełączania napięcia tranzystorami wykorzystuje się podział napięcia po mostku Graetza, za pomocą 2 kondensatorów połączonych szeregowo względem siebie, włączonych równolegle do napięcia. Dzięki temu otrzymuje się układ napięć taki jak w zasilaczu symetrycznym. Układ pół-mostkowy wykorzystywany jest w zasilaczach komputerowych przy mocach dochodzących do kilkuset watów. Układy pełnego mostka pozwalają na transformowanie mocy nawet powyżej 1 kW.
• Buck (obniżyć) – topologia używana do zasilania napięciem stałym niższym niż wejściowe.
• Boost (zwiększyć) – topologia używana do zasilania napięciem stałym, które jest wyższe od wejściowego.

Dodatkowo dla zasilaczy o mocy powyżej 75 W (w dowolnej topologii) stosuje się układy poprawiające współczynnik mocy oraz rozkładające obciążenie na cały okres napięcia (w porównaniu do zwykłego prostownika mostkowego).

Zalety i wady

Zalety zasilacza impulsowego:

• Duża sprawność przekraczająca nawet 90%, istotna zwłaszcza przy zasilaniu z baterii lub akumulatora.
• Małe rozmiary oraz niewielka masa, w stosunku do przenoszonej mocy, w porównaniu do zasilaczy transformatorowych.
• Szeroki zakres napięcia wejściowego np. od 100 do 240 V, co umożliwia użytkowanie we wszystkich krajach świata.
• Zabezpieczenia przed zwarciem wbudowane w układy kontrolne zasilacza.
• Odporność na zakłócenia z sieci.
• Odporność na krótkie zaniki napięcia.
• Niższy koszt wytworzenia.

Wady:

• Źle skonstruowany lub zbudowany ze złej jakości elementów może powodować zakłócenia na wysokiej częstotliwości (kompatybilność elektromagnetyczna) oraz niestabilną pracę podłączonych urządzeń.
• Skomplikowana budowa pod względem ilości części potrzebnych do pracy, przez co zasilacze impulsowe małej mocy były droższe niż tradycyjne. Na początku XXI wieku wprowadzono układy scalone, w wyniku czego nawet zasilacze o mocy kilku watów stały się tańsze od tradycyjnych.
• W niektórych rozwiązaniach wymagane jest obciążenie wstępne.

Środki ostrożności

Przy układach zasilanych z napięcia sieciowego główny kondensator filtrujący za układem prostownika może trzymać napięcie z uwagi na brak obciążenia. Kontakt z tym kondensatorem może spowodować porażenie prądem elektrycznym.

W latach 1996-2010 zdarzały się częste usterki kondensatorów elektrolitycznych spowodowanych niską jakością produkcji. Przy takiej usterce spowodowanej wypływem elektrolitu lub eksplozją kondensatora wygenerowane napięcia wyjściowe mogą spowodować uszkodzenie zasilanego urządzenia.

Zastosowanie

Zasilacze impulsowe prawie całkowicie wyparły zasilacze transformatorowe. Stosowane są w praktycznie wszystkich urządzeniach podłączanych do napięcia sieciowego (w zależności od regionu świata pomiędzy 100-240V i 50-60Hz): telewizory, komputery i osprzęt, ładowarki telefonów komórkowych, zasilacze urządzeń przenośnych i stacjonarnych itp., prócz klasycznych wzmacniaczy audio.

Jednak i w tych ostatnich producenci niekiedy decydują się na stosowanie przetwornicy.

Zobacz też

• zasilacz beztransformatorowy
• przekształtnik napięcia