Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowych

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowych
Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowych
(cz.1)
Karol Œwierc
W „SE” nr 5/2000 opublikowany zosta³ artyku³ „Praca tranzystora kluczuj¹cego w uk³adach zasilaczy i odchylania poziomego OTVC i monitorów”, a w nr 11/2000 jego uzupe³nienie w formie aneksu. Niniejszy artyku³ poœwiêcony jest aspektom zwi¹zanym z prac¹ transformatora. Praca jego jest nie mniej
istotna ni¿ praca tranzystora. W³aœciwe warunki pracy transformatora to nadrzêdny cel prawid³owo zaprojektowanego zasilacza-przetwornicy. Niew³aœciwe warunki lub Ÿle zaprojektowany, nawiniêty lub po prostu, Ÿle z³o¿ony transformator
mo¿e byæ przyczyn¹ awarii zasilacza, co praktycznie w ka¿dym przypadku koñczy siê uszkodzeniem tranzystora kluczuj¹cego. Notoryczne uszkadzanie siê tego tranzystora zmusza
w koñcu do przemyœlenia i podjêcia decyzji: czy jego powodem jest transformator, czy te¿ uk³ad elektroniki zasilacza.
O czym œwiadczy fakt, ¿e rdzeñ transformatora jest nieraz
bardzo gor¹cy? Kiedy nale¿y transformator wymieniæ, a kiedy
jest to czynnoœæ bezcelowa i przy tym czêsto k³opotliwa.
Celem artyku³u jest odpowiedŸ na te i podobne pytania.
Nie bêdzie jednak ¿adnej recepty, gdy¿ zjawiska s¹ na tyle z³o¿one, ¿e prostej recepty nie mo¿na przedstawiæ. Zostan¹ natomiast w miarê szczegó³owo omówione zjawiska fizyczne zachodz¹ce w transformatorze ze szczególnym zwróceniem uwagi na wynikaj¹ce z nich praktyczne aspekty.
1. Informacje podstawowe
1.1. Dlaczego ka¿dy zasilacz zawiera transformator?
Po pierwsze, to najprostszy sposób na zmianê wartoœci
(przetransformowanie) napiêæ. Po drugie, za poœrednictwem
transformatora mo¿na uzyskaæ izolacjê galwaniczn¹ zasilanego urz¹dzenia od sieci energetycznej. Po trzecie, jest to jedyny
(prawie jedyny) i prosty sposób na uzyskanie kilku napiêæ wyjœciowych o ró¿nych wartoœciach.
Punkt ten celowo zatytu³owa³em „Dlaczego ka¿dy zasilacz
zawiera transformator?”, jednak dla œcis³oœci nale¿a³oby napisaæ „Dlaczego prawie ka¿dy …”, gdy¿ w praktyce spotkaæ
mo¿na równie¿ zasilacze bez indukcyjnoœci, z prze³¹czanymi
pojemnoœciami. Ich zastosowanie ogranicza siê do bardzo ma³ych mocy i praktycznie tylko wtedy, gdy trzeba podwoiæ wartoœæ napiêcia lub uzyskaæ napiêcie o tej samej wartoœci ale przeciwnego znaku (ujemne). Uk³ady takie s¹ nieraz wbudowane
w strukturê uk³adów scalonych, choæ czêsto nie zdajemy sobie
z tego sprawy. Dobrym przyk³adem s¹ pamiêci EEPROM zasilane jednym, niskim napiêciem (+5V lub mniej). Do zapisu
informacji potrzebuj¹ napiêcia wy¿szego, które jest podczas
procesu zapisu wytwarzane wewn¹trz. Podobna sytuacja jest
w uk³adach transmisji szeregowej na du¿e odleg³oœci. Uk³ady
nadajników wymagaj¹ dwóch napiêæ symetrycznych, gdy ca³a
reszta urz¹dzenia „zadowala” siê jednym napiêciem. Umieszcza siê zatem uk³ad dokonuj¹cy inwersji napiêcia tu¿ przy uk³adzie nadajnika linii. Zastosowanie wspomnianych wy¿ej uk³adów jest marginalne i trudno je nazwaæ zasilaczami w prawdziwym znaczeniu tego s³owa, a wiêc mo¿na w zasadzie przyj¹æ, ¿e ka¿dy zasilacz zawiera transformator.
1.2. Co to jest transformator?
Aby odpowiedzieæ na to pytanie nale¿y cofn¹æ siê do podstaw i wyjaœniæ kilka pojêæ.
1.2.1. Co to jest indukcyjnoϾ?
Przed odpowiedzi¹ na to pytanie, krótki wstêp z fizyki, który
udzieli odpowiedzi na pytania: co to jest pole magnetyczne,
jakie wielkoœci je charakteryzuj¹, jak¹ energiê za poœrednictwem pola magnetycznego mo¿na przenieœæ (przetransformowaæ), a to wi¹¿e siê bezpoœrednio z pytaniem kluczowym dla
poruszanego tematu: jak du¿y musi byæ transformator?
Przewodnik, w którym p³ynie pr¹d, jak równie¿ poruszaj¹ce siê ³adunki elektryczne wytwarzaj¹ wokó³ siebie pole magnetyczne. U podstaw tego spostrze¿enia le¿y znane z fizyki
prawo Biota-Savarta. Mówi ono, ¿e jednostkowy odcinek przewodnika z pr¹dem wytwarza pole magnetyczne, którego indukcja jest proporcjonalna do wartoœci p³yn¹cego pr¹du, d³ugoœci odcinka przewodnika i odwrotnie proporcjonalna do
kwadratu odleg³oœci punktu, w którym wielkoœæ indukcji mierzymy. Jeœli wytwarzaj¹cy pole magnetyczne odcinek przewodnika nie jest prostopad³y do odcinka ³¹cz¹cego punkt pomiaru
pola magnetycznego i odcinka przewodnika, który je wytwarza, wartoœæ indukcji jest mniejsza o sinus k¹ta wspomnianych
dwóch odcinków. Wartoœæ indukcji zale¿na jest równie¿ od
œrodowiska, w którym pole magnetyczne jest wytwarzane.
Wspó³czynnikiem proporcjonalnoœci dla pró¿ni jest µo - przenikalnoœæ magnetyczna pró¿ni. Inne materia³y wykazuj¹ dodatkowo przenikalnoœæ µr ró¿n¹, a czêsto du¿o wiêksz¹ od jednoœci. Przez tê przenikalnoœæ nale¿y przemno¿yæ wytwarzan¹
wartoœæ indukcji. Prawo Biota-Savarta jest dla teorii pola magnetycznego kluczowe, gdy¿ na jego podstawie mo¿na obliczyæ wartoœæ indukcji magnetycznej wytwarzanej w dowolnym punkcie i wokó³ przewodnika u³o¿onego w dowolny
kszta³t. Najczêœciej bêdzie to cewka, a wiêc spiralnie zwiniêty
odcinek przewodnika, a wartoœæ indukcji magnetycznej interesuje nas wewn¹trz owej cewki.
Cewki powietrzne, a wiêc bezrdzeniowe wykonywane s¹
jedynie dla bardzo du¿ych czêstotliwoœci, kiedy wymagana
wartoœæ indukcyjnoœci jest niewielka. Przy czêstotliwoœciach
ni¿szych, dla uzyskania rozs¹dnej wartoœci reaktancji indukcyjnoœæ musi mieæ du¿e wartoœci, a wiêc cewka powietrzna
musia³aby mieæ bardzo du¿e rozmiary ze wzglêdu na niedu¿¹
wartoœæ przenikalnoœci pró¿ni (powietrza). Dlatego cewki, a
tym samym transformatory nawija siê na rdzeniu.
Istniej¹ wprawdzie materia³y, których wzglêdna przenikalnoœæ magnetyczna jest mniejsza od 1. S¹ to diamagnetyki. Nie
maj¹ one wiêkszego zastosowania jako rdzenie, aczkolwiek
stosowane s¹ w cewkach strojonych obwodów w.cz.
Odcinek diamagnetyka warto mieæ przy sobie podczas przestrajania radioodbiorników. Zbli¿aj¹c do przestrajanej cewki
na zmianê diamagnetyk i paramagnetyk mo¿na szybko zorientowaæ siê w „któr¹ stronê” nale¿y pójœæ podczas przestrajania.
Wspomnia³em ju¿, ¿e s¹ i paramagnetyki, a wiêc materia³y
o przenikalnoœci magnetycznej wzglêdnej wiêkszej od jedno-
SERWIS ELEKTRONIKI
Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowych
œci. Przenikalnoœæ tych materia³ów nie jest na ogó³ du¿o wiêksza od jednoœci, za to s¹ to œrodowiska liniowe. Znaczy to, ¿e
przenikalnoœæ ta jest sta³a, nie zale¿y od natê¿enia pola magnetycznego. Materia³ami o przenikalnoœci magnetycznej znacznie wiêkszej od jednoœci (a takie s¹ najbardziej po¿¹dane jako
rdzenie transformatorów) s¹ ferromagnetyki. Niestety nie s¹ to
œrodowiska liniowe. Przenikalnoœæ magnetyczna zale¿y od natê¿enia pola magnetycznego, a na dodatek wykazuje histerezê,
to znaczy, ¿e funkcja indukcji magnetycznej w tych materia³ach jest nie tylko funkcj¹ nieliniow¹ natê¿enia pola, ale na dodatek zale¿y od „przesz³oœci”, czyli nie tylko od tego jaka wartoœæ natê¿enia pola jest w danym momencie, ale równie¿ jaka
by³a wczeœniej. Ka¿dy ferromagnetyk wykazuje tak¹ charakterystykê, ale s¹ ferromagnetyki, tak zwane: twarde i miêkkie.
Porównanie ich charakterystyk przedstawiono na rys.1.1. Mówi¹c o nieliniowoœci œrodowiska ferromagnetyków u¿y³em okreœlenia - niestety, bo to faktycznie na ogó³ jest istotna wada. Nale¿y jednak dla œcis³oœci wspomnieæ, ¿e owa nieliniowoœæ jest
nieraz wykorzystywana w bardzo „zbo¿nych” celach.
B
2
1
H
1 - materia³y magnetycznie twarde
2 - materia³y magnetycznie miêkkie
Rys.1.1. Przyk³ady pêtli histerezy.
Wspomnia³em ju¿ o dwóch wielkoœciach charakteryzuj¹cych
pole magnetyczne: indukcji pola magnetycznego B i jego natê¿eniu H. Bardzo istotn¹ wielkoœci¹ fizyczn¹ jest strumieñ magnetyczny. Okreœlenie „strumieñ” dobrze siê kojarzy, gdy¿ jest
to iloczyn indukcji pola i powierzchni, przez któr¹ przep³ywa.
Jeœli powierzchnia ta jest prostopad³a do wektora indukcji, jest
to „zwyk³y” iloczyn. W przypadku ogólniejszym, jest to iloczyn skalarny i strumieñ pola magnetycznego nie jest wektorem a wielkoœci¹ skalarn¹. Jednostk¹ strumienia magnetycznego jest weber: 1 Wb (weber) = 1T (tesla) × 1 m2. Chocia¿ wielkoœci¹ podstawow¹ jest wektor indukcji, a strumieñ jest wielkoœci¹ wtórn¹ ze wzglêdu na istotne (nadrzêdne) znaczenie strumienia pola magnetycznego, w technice czêsto indukcjê nazywa siê gêstoœci¹ strumienia. Na odwrót jest w fizyce, gdzie podstawowe zale¿noœci charakteryzuje siê natê¿eniem i wektorem
indukcji pola magnetycznego. Aby zakoñczyæ ten wywód teorii
podstawowej, nale¿y jeszcze dodaæ, ¿e Ÿród³em pola magnetycznego mo¿e byæ pr¹d, a wiêc zmienne pole elektryczne, jak
równie¿ zmienne pole magnetyczne indukuje wektor pola elektrycznego. Na tych spostrze¿eniach Maxwell przewidzia³ matematycznie istnienie fal elektromagnetycznych zanim jeszcze
zosta³y one odkryte. Najistotniejsz¹ ró¿nic¹ miêdzy polem magnetycznym i elektrycznym jest to, ¿e to pierwsze nie posiada
potencja³u, mówimy, ¿e jest polem wirowym.
1.2.2. Co to jest indukcja w³asna?
W wyjaœnieniu tego pojêcia z pomoc¹ przychodzi drugie
istotne prawo pola magnetycznego: zasada Lenza. Pole sta-
tyczne jest ma³o interesuj¹ce. Jeœli natomiast zmienny pr¹d (p³yn¹cy np. w cewce) indukuje zmienne pole magnetyczne, to
zmienny strumieñ pola magnetycznego, w obrêbie którego
znajduje siê ta cewka (bo sama sobie go wytworzy³a) indukuje
w niej napiêcie. Kierunek tego napiêcia jest taki (i o tym mówi
regu³a Lenza), ¿e przeciwstawia siê on zmianom pr¹du i w³aœnie dlatego cewka wykazuje reaktancjê. Jest to impedancja, a
poniewa¿ nie wyra¿a siê ona liczb¹ rzeczywist¹, przyjêto inn¹
nazwê. Nie wyra¿a siê liczb¹ rzeczywist¹, poniewa¿ „opór”
jaki stanowi cewka nie zale¿y od wielkoœci pr¹du, ale od szybkoœci jego zmian (od jego pochodnej). Sytuacja jest dok³adnie
odwrotna, ni¿ w przypadku kondensatora i jeœli pobudzana jest
przebiegiem sinusoidalnym, to napiêcie wyprzedza w fazie o
π/2 przebieg pr¹du. Wielkoœci¹ charakteryzuj¹c¹ indukcjê w³asn¹ elementu jest jego indukcyjnoœæ. Mierzona jest ona w henrach (1H = 1Wb/ 1A lub 1H = 1V × 1s / 1A).
Cewka bezrdzeniowa lub z rdzeniem paramagnetycznym
jest nadal elementem liniowym, czego nie mo¿na w ogólnoœci
powiedzieæ o cewce z rdzeniem ferromagnetycznym. Jest to
ju¿ element nieliniowy, a to jest powodem wszystkich problemów, którym poœwiêcony jest niniejszy artyku³. Jeœli chcieæ
opisaæ rzecz matematycznie, to nale¿y powiedzieæ, ¿e rozwi¹zywanie równañ opisuj¹cych obwody nieliniowe jest nie tylko
trudne, ale czêsto w sposób analityczny po prostu niemo¿liwe,
chyba ¿e za pomoc¹ metod numerycznych. Nie bêdê wiêcej o
nich wspomina³, gdy¿ nie to jest celem tego artyku³u. Zwrócê
natomiast uwagê na wszelkie zjawiska fizyczne maj¹ce miejsce w transformatorze pracuj¹cym w uk³adzie zasilacza, a ujawniaj¹ce siê g³ównie przy pracy z du¿¹ czêstotliwoœci¹ kluczowania. Pe³na œwiadomoœæ tych zjawisk jest nie tylko ciekawa,
ale bardzo pomocna w prawid³owym postawieniu diagnozy
naprawianego uk³adu.
1.2.3. Co to jest indukcja wzajemna, a wiêc co to jest transformator?
W polu magnetycznym wytwarzanym przez jedn¹ cewkê
mo¿na umieœciæ inn¹ cewkê. Napiêcie indukowane w niej jest
zale¿ne od zmiennoœci strumienia magnetycznego, który j¹
obejmuje i zupe³nie nie zale¿y od tego, czy strumieñ ten wytworzy³a sobie ta cewka sama, czy pochodzi on z jakiegokolwiek Ÿród³a z zewn¹trz.
Indukcyjnoœci¹ wzajemn¹ nazywamy stosunek strumienia
magnetycznego w cewce, nazwijmy j¹ 2, do pr¹du p³yn¹cego
w cewce 1.
£atwo wykazaæ, ¿e jeœli cewki sprzê¿one s¹ w 100%, czyli
ca³y strumieñ wytwarzany przez cewkê 1 przep³ywa przez
wszystkie zwoje cewki 2, to indukcyjnoœæ wzajemna takich cewek jest niezale¿na od tego, która z nich bêdzie uzwojeniem
pierwotnym, a która wtórnym i równa siê œredniej geometrycznej indukcyjnoœci w³asnych obu cewek: M12 = M21= M = √L1×L2.
Jeœli sprzê¿enie obu uzwojeñ nie jest pe³ne, to wspó³czynnik
tego sprzê¿enia okreœla siê jako stosunek indukcji wzajemnej
do œredniej geometrycznej indukcji w³asnych obu cewek
k = M / √L1L2. W takiej sytuacji wystêpuj¹ indukcyjnoœci rozproszenia odpowiadaj¹ce tym strumieniom pola magnetycznego, które nie obejmuj¹ obu uzwojeñ. Problemowi istnienia indukcyjnoœci rozproszenia transformatora poœwiêcê wiêcej uwagi
w dalszej czêœci artyku³u, poniewa¿ jest to zjawisko w uk³adach zasilaczy bardzo szkodliwe i prowadz¹ce czêsto do uszkodzenia tranzystora-klucza. Poniewa¿ zupe³ne wyeliminowanie
indukcyjnoœci rozproszonych jest niemo¿liwe, uk³ady przetwor-
SERWIS ELEKTRONIKI
Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowych
nic zawieraj¹ zawsze elementy maj¹ce na celu zmniejszenie ich
destrukcyjnego wp³ywu. Niemniej uszkodzenie zasilacza (tranzystora kluczuj¹cego) mo¿e byæ zawsze spowodowane uszkodzeniem któregoœ z elementów owych uk³adów lub zbyt du¿¹
wartoœci¹ indukcyjnoœci rozproszenia transformatora.
Powy¿sze informacje przytoczone na gruncie fizyki t³umacz¹ równie¿ co siê stanie, gdy w transformatorze nast¹pi zwarcie miêdzyzwojowe. Pr¹d indukowany w zwoju zwartym jest
tak du¿y, ¿e przeciwstawia siê zmianom strumienia magnetycznego przez niego przep³ywaj¹cego (regu³a Lenza). Poniewa¿ zwój taki obejmuje zwykle ca³y rdzeñ, indukcyjnoœæ widziana z ka¿dego uzwojenia wydatnie spada do tego stopnia,
¿e pozostaje niemal¿e sama indukcyjnoœæ rozproszenia. Powy¿sze spostrze¿enie demaskuje informacje zawarte w niektórych reklamach przyrz¹dów s³u¿¹cych do sprawdzania sprawnoœci transformatorów lub trafopowielaczy. Mówi¹ one, ¿e
przyrz¹d wykrywa zwarcie nawet jednego zwoju. Nie ma znaczenia czy zwarty jest jeden zwój, czy wiêcej. Istotniejsze jest
to jaka jest opornoœæ przewodu, na którym zwarcie wyst¹pi³o.
Jeœli jest ona bardzo ma³a, zbli¿amy siê do zjawiska znanego z
fizyki: zwój zwarty wykonany z nadprzewodnika nie „wpuœci” do siebie pola magnetycznego.
1.3. Schemat zastêpczy transformatora
Analizê uk³adów znacznie upraszcza stosowanie wszelkiego
rodzaju schematów zastêpczych. W pierwszej fazie analizy
uk³adu stosuje siê uproszczone schematy zastêpcze, po czym
dodaje siê kolejne elementy przybli¿aj¹ce uk³ad coraz bardziej
do rzeczywistoœci. Tak jest równie¿ w przypadku transformatora. Dobrym przybli¿eniem dla celów prezentowanych w artykule jest schemat przedstawiony na rys.1.2. Nie zawiera on
pojemnoœci rozproszonych i miêdzyzwojowych rzeczywistego transformatora, natomiast zwraca szczególn¹ uwagê na indukcyjnoœci rozproszenia. Zawiera równie¿ symulowane w
postaci skupionych rezystorów rezystancje rzeczywiste uzwojeñ, jak równie¿ w postaci rezystora w³¹czonego równolegle
do indukcyjnoœci g³ównej symulacjê strat energii, a wiêc moc
rzeczywist¹ wydzielan¹ w rdzeniu. Symuluje on w ten sposób
straty zwi¹zane z przemagnesowaniem rdzenia, jak i z istnieniem pr¹dów wirowych. Ta czêœæ energii powoduje grzanie
siê rdzenia. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury mo¿e byæ
powodem nasycenia rdzenia wczeœniej ni¿ przewidzia³ to konstruktor transformatora. Nasycenie rdzenia to zmniejszenie
indukcyjnoœci g³ównej oznaczonej na schemacie zastêpczym
jako LG, a to ju¿ tylko krok do uszkodzenia tranzystora kluR1
L r1
2
n 2 • L r2 n • R 2
I 2 /n
I1
LG
U1
R
n • U2
S
Rys.1.2.a. Schemat zastêpczy transformatora.
R1
I1
U1
L r1
2
n 2 • L r2 n • R 2
I 2 /n
n•U
Rys.1.2.b. Uproszczony schemat zastêpczy
transformatora.
2
czuj¹cego. Rezystancje rzeczywiste uzwojeñ symuluj¹ zjawiska ujawniaj¹ce siê przy du¿ej czêstotliwoœci pracy, jak zjawisko naskórkowoœci. Te wspomniane wy¿ej, jak i inne zjawiska
fizyczne maj¹ce miejsce w rozpatrywanym problemie zostan¹
rozwiniête w dalszej czêœci artyku³u. Niemniej znajomoœæ schematu zastêpczego transformatora bêdzie bardzo pomocna. Nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e wszystkie wielkoœci s¹ odniesione do
strony pierwotnej, a wiêc elementy, jak i napiêcie oraz pr¹d s¹
przetransformowane na stronê pierwotn¹. Opornoœæ rzeczywista, jak i indukcyjnoœæ transformuje siê z kwadratem przek³adni, napiêcie oczywiœcie wprost proporcjonalnie do przek³adni, a pr¹d odwrotnie proporcjonalnie do wspó³czynnika
przek³adni „n”. Na rys.1.2.b przedstawiono uproszczony schemat zastêpczy, który jest dobrym przybli¿eniem dla wielu celów (analizy) transformatora.
1.4. Jak du¿y musi byæ transformator?
Intuicja podpowiada, ¿e zale¿y to od mocy jaka ma byæ
przeniesiona (przetransformowana), ale czy tylko? W uk³adach
zasilaczy sieciowych pracuj¹cych przy czêstotliwoœci 50Hz
transformatory s¹ z regu³y du¿e. Nale¿y s¹dziæ, ¿e wymagana
wielkoœæ transformatora zale¿y od czêstotliwoœci, przy której
on pracuje. Aby odpowiedzieæ na pytanie dlaczego, proponujê
przyjrzeæ siê dok³adnie schematowi zastêpczemu. Jak transformator przedstawia siê dla Ÿród³a napiêcia sinusoidalnego
(analiza z pobudzeniem sinusoidalnym jest najprostsza), gdy
nie jest on obci¹¿ony po stronie wtórnej. Przez uzwojenie p³ynie pr¹d, tak zwany ja³owy. Jeœli pomin¹æ opornoœci Rsz1, Rsz2 i
RGL (co jest dobrym przybli¿eniem), to pr¹d ja³owy w uzwojeniu pierwotnym przesuniêty jest w fazie wzglêdem napiêcia o
90°. Nie wydziela siê wiêc moc czynna, jednak moc bierna
mo¿e przyjmowaæ du¿e wartoœci. Poniewa¿ reaktancja indukcyjnoœci jest równa iloczynowi pulsacji k¹towej ω i wartoœci
indukcyjnoœci, przy ma³ych ω wymagana jest du¿a indukcyjnoœæ. Sposobem na zwiêkszenie indukcyjnoœci jest stosowanie rdzeni o jak najwiêkszej przenikalnoœci magnetycznej.
Zwiêkszanie transformowanej mocy wi¹¿e siê z wiêksz¹ amplitud¹ zmiennoœci strumienia magnetycznego, a wiêc i jego
gêstoœci (indukcji magnetycznej) w rdzeniu. Poniewa¿ rdzenie ferromagnetyczne s¹ œrodowiskiem nieliniowym, nale¿y
braæ pod uwagê ich pe³n¹ charakterystykê, wartoœæ maksymaln¹
indukcji, która wi¹¿e siê ze zjawiskiem nasycania rdzenia, histerezê tej charakterystyki oraz inne zjawiska. Drugi sposób
nasuwa siê wprost z zale¿noœci XL = 2πf × L, a wiêc zwiêkszanie czêstotliwoœci, przy której transformator pracuje.
W ten sposób doszliœmy do koncepcji przetwornicy, w której
g³ównym celem jest przetwarzanie (st¹d nazwa przetwornica)
energii przez transformator z du¿¹, znacznie wiêksz¹ od 50Hz
czêstotliwoœci¹. Wprawdzie spotyka siê zasilacze impulsowe
(DC-DC converter) przetwarzaj¹ce energiê ze stosunkowo niskiego sta³ego napiêcia wejœciowego (DC), ale wtedy wykorzystuje siê tylko jedn¹ z g³ównych zalet przetwornicy polegaj¹cej na zminimalizowaniu strat energii w elemencie regulacyjnym, którym jest z regu³y tranzystor i chodzi o to, aby nie
pracowa³ on na aktywnej czêœci swojej charakterystyki. Transformator w takim zasilaczu pracuje nadal na czêstotliwoœci sieci
i musi byæ du¿y. Takie rozwi¹zania na ogó³ spotyka siê w magnetowidach starszej generacji. Aby osi¹gn¹æ pe³ne korzyœci z
budowania zasilacza w postaci przetwornicy, trzeba przetwarzaæ napiêcie wprost z wyprostowanego napiêcia 220VACrms, a
SERWIS ELEKTRONIKI
Opis zasilacza dla miernika pojemnoœci
wiêc z du¿ej wartoœci. Sytuacja jest nieco korzystniejsza w
uk³adach pracuj¹cych w sieci amerykañskiej 110VAC, ale t¹
spraw¹ nie bêdziemy siê interesowaæ. Z naszego, serwisowego punktu widzenia jest to i tak tylko komplikacja. Uk³ady
mog¹ce pracowaæ w bardzo szerokim zakresie napiêæ wejœciowych, a wiêc 110Vrms z uwzglêdnieniem maksymalnego dopuszczalnego spadku napiêcia oraz 220Vrms z uwzglêdnieniem
dopuszczalnej (15%) nadwy¿ki tego napiêcia s¹ z regu³y bardziej skomplikowane. Poniewa¿ niniejszy artyku³ opisuje zasilacz widziany od strony transformatora, to nale¿y zwróciæ
uwagê, ¿e warunki jego pracy zmieniaj¹ siê w takim przypadku zasadniczo. Jeœli problemy uszkadzania zasilacza tkwi¹
w³aœnie w tych sprawach i wiedz¹c równoczeœnie, ¿e naprawiane urz¹dzenie na pewno nie bêdzie wyeksportowane na inny
kontynent, wiedzê zawart¹ w tym artykule mo¿na wykorzystaæ bardzo praktycznie, zmieniaj¹c ewentualnie niektóre wartoœci elementów tak, aby transformator „dobrze siê czu³” gdy
jest zasilany z sieci 220VAC.
Oczywiœcie, „pomys³” ze zwiêkszaniem czêstotliwoœci pracy przetwornicy sprawdza siê i to w³aœnie, obok unikniêcia
pracy elementu regulacyjnego na aktywnej czêœci jego charakterystyki, zadecydowa³o o takiej „karierze” przetwornic jak¹
obserwujemy. Jednak „pomys³” ten sprawdza siê do pewnej
granicy, powy¿ej której zaczynaj¹ pojawiaæ siê zupe³nie nowe
problemy. Ograniczeniem czêstotliwoœci pracy na ogó³ nie s¹
elementy elektroniczne, ewentualnie parametry dynamiczne
tranzystora kluczuj¹cego, a przede wszystkim zjawiska wystêpuj¹ce w transformatorze.
Poniewa¿ w naturze cz³owieka jest d¹¿enie do optymalizacji za wszelk¹ cenê, warunki pracy wszystkich kluczowych
elementów w naprawianych przez nas przetwornicach s¹ na
ogó³ „wy¿y³owane”. Mo¿na zaobserwowaæ w naprawianym
sprzêcie , ¿e transformatory s¹ nieraz rzeczywiœcie bardzo ma³e.
Obok optymalizacji zastosowanych elementów, w tym materia³ów magnetycznych, istotn¹ rolê odgrywa konfiguracja pracy
uk³adu. Dobrym przyk³adem jest tu chassis L6.1 i L6.2 Philips’a czêsto opisywane na ³amach „SE” ze wzglêdu na problemy serwisowe. Zastosowanie konfiguracji pracy przetwornicy jako forward w uk³adzie tak zwanym buck (buck to znaczy kozio³, a skojarzenia z dzia³aniem zasilacza s¹ prawid³owe zwa¿ywszy jak „kozio³ atakuje”), to kolejny sposób na
zmniejszenie wielkoœci transformatora i na z³agodzenie warunków pracy tranzystora kluczuj¹cego. W tym uk³adzie bowiem transformator nie przenosi pe³nej mocy (opis dzia³ania
zasilacza chassis L6.1 i L6.2 publikowany by³ w „SE” nr 8/
2000 i 2/2001). Jak zwykle korzyœci wi¹¿¹ siê z dodatkowymi
wadami, a w przytoczonym chassis wad¹ jest brak izolacji galwanicznej zasilacza we wspomnianej konfiguracji. Poniewa¿
wspó³czesny telewizor tak¹ izolacjê musi posiadaæ (wymóg
obligatoryjny), to uzyskano j¹ innymi, bardzo „fikuœnymi” metodami.
Wracaj¹c do g³ównego w¹tku podjêtego tematu stwierdziliœmy, ¿e po przekroczeniu pewnej czêstotliwoœci pracy uzyskane korzyœci siê koñcz¹ i pojawiaj¹ siê nowe problemy. Tym
w³aœnie problemom poœwiêcona bêdzie dalsza czêœæ artyku³u.
Warunki pracy transformatora s¹ zasadniczo ró¿ne dla
trzech podstawowych konfiguracji uk³adowych przetwornic:
flyback, forward converter i push-pull. Zatem zjawiska, które
zale¿¹ od konfiguracji uk³adu zasilacza zostan¹ odrêbnie odniesione do tych trzech podstawowych konfiguracji.
}
Ci¹g dalszy nast¹pi
Opis zasilacza dla miernika pojemnoœci
Edward Bitner
Znaczne zainteresowanie Czytelników opublikowanym w
„Serwisie Elektroniki” opisem miernika pojemnoœci („Praktyczny miernik parametrów kondensatorów elektrolitycznych” - „SE”
10/2000) oraz trudnoœci w znalezieniu odpowiedniego zasilacza
impulsowego, sk³oni³y mnie do uzupe³nienia tego opisu.
Przedstawiony na ³amach „SE” zestaw przyrz¹dów pomiarowo-diagnostycznych to nierozerwalna ca³oœæ, ale dla bli¿szego zrozumienia ich dzia³ania i wiêkszej przejrzystoœci, opisywane by³y oddzielnie. W przypadku miernika pojemnoœci zaproponowa³em u¿ycie zasilacza impulsowego ze z³omowanego
VCR lub SAT - wydawa³o siê, ¿e bêdzie to doœæ proste i nie
odstraszy od trudnoœci, jakie wynikaj¹ z budowy takiego zasilacza od postaw (przeprowadzone próby dawa³y wyniki pozytywne). Ostateczn¹ inicjatywê w doborze zasilacza pozostawi³em wiêc do dyspozycji przysz³ego konstruktora. Osobiœcie wykorzysta³em wszystkie mo¿liwoœci, jakie powstawa³y w trakcie
budowy ca³ego zestawu. Dlatego niektóre podzespo³y, takie jak:
zasilacz sieciowy 0÷150V, dynamiczny tester transformatorów,
itd, dziêki zastosowaniu odpowiednich prze³¹czników oraz oddzielnego zasilacza sieciowego +80V - pe³ni¹ ró¿ne role, w zale¿noœci od w³¹czonej (u¿ywanej) funkcji pomiarowej.
Zasilacz do miernika pojemnoœci jest zasilaczem impulsowym. Z praktyki wiemy, ¿e niektóre pracuj¹ce podzespo³y bloku odchylania poziomego odbiornika TV, mog¹ pe³niæ rolê takiego zasilacza. Najlepiej bêdzie, jeœli pos³u¿ymy siê zasilaczem wzorowanym na dynamicznym testerze transformatorów
linii opisanym w „SE” 3/01 (zasilacz sieciowy „SE” 2/01). Nale¿y w miejsce koñcówek „Tr” na sta³e lub przy pomocy odpowiedniego prze³¹cznika, zamontowaæ transformator WN np.
AT110 (bez cewki WN). Uzwojenie kolektorowe (pierwotne)
9,1nF
BA159
260R*
0,6mA
22nF
18R
8V/16kHz*
2x
AAP155
Zx
+
* - Napiêcie i wartoœæ rezystora dobraæ tak, aby bez pod³¹czonego
kondensatora pomiarowego wyst¹pi³o pe³ne wychylenie wskaŸnika
pomiarowego. Napiêcie to nie powinno przekroczyæ wartoœci 8V .
ss
SERWIS ELEKTRONIKI 9/2002
Rys.1.
11