Zasilacz sieciowy

1
Kondensator wygładzający w zasilaczu sieciowym
Wielu z Was, przyszłych techników elektroników, korzysta, bądź samemu projektuje zasilacze
sieciowe. Gotowy zasilacz można kupić, w którym wszystkie elementy dobrał konstruktor i sprawa
rozwiązana. Natomiast ci, którzy sami chcą wykonać zasilacz muszą zadbać o jak najlepszą jakość
wyprostowanego napięcia. Zasilacze, które przeznaczone są do sprzętu elektronicznego będącego w
powszechnym użytku, jak również w zastosowaniach profesjonalnych, gdzie wspólna konstrukcja
urządzenia wespół z zasilaczem, wymaga uzyskania najlepiej dopasowanego do siebie układu.
W konstrukcji każdego zasilacza newralgiczną rolę pełni układ prostowniczy. Układ prostowniczy,
popularnie prostownik, służy do przekształcania prądu zmiennego na prąd jednokierunkowy. Poza
prostownikiem, w skład zasilacza elektronicznego wchodzi także transformator, odpowiedni filtr
wygładzający, stabilizator oraz układy i elementy zabezpieczające. Napięcie, które występuje
bezpośrednio na wyjściu układu prostowniczego wraz z obciążeniem rezystancyjnym posiada
pulsacyjny charakter. Aby zmniejszyć tętnienia na obciążeniu, należy pomiędzy wyjście
prostownika, a obciążenie dołączyć kondensator wygładzający. W niniejszym artykule zwrócono
szczególną uwagę na dobór kondensatora wygładzającego. Filtr wygładzający służy do tłumienia
tętnienia, czyli składowej zmiennej napięcia, które jest na wyjściu układu prostowniczego.
Prostownik diodowy mostkowy jest
zasilany ze źródła napięcia
sinusoidalnego
=
∙ sin ∙ . Może ono być
zrealizowane jako uzwojenie
transformatora. Patrz rysunek 1.
Napięcie wyjściowe prostownika
oznaczono jako u2(t), napięcie na
transformatorze na wejściu zasilacza
oznaczono jako e(t).
Rysunek 1. Prostownik mostkowy zasilany ze źródła napięcia
sinusoidalnego z wbudowanym kondensatorem wygładzającym
Diody prostownika mogą przewodzić prąd parami; D1, D3 lub D2, D4.
Warunkiem przejścia pary diod D1, D3 w stan przewodzenia jest osiągnięcie, przez dodatnią
połówkę napięcia źródła e(t), wartości chwilowej większej od wartości chwilowej napięcia
wyjściowego u2(t).
Warunkiem przejścia pary diod D2, D3 w stan przewodzenia jest osiągnięcie, przez ujemną
połówkę napięcia źródła e(t), wartości chwilowej mniejszej od ujemnej wartości chwilowej
napięcia wyjściowego.
Powyższe uwagi dają się następująco uogólnić:
● Jedna para diód, D1, D3 lub D2, D4 znajduje się w stanie przewodzenia, jeżeli chwilowa wartość
bezwzględna napięcia źródła jest większa od wartości chwilowej napięcia wyjściowego;
|
|≥
. W tym stanie pracy kondensator jest ładowany sinusoidalnym napięciem źródła
e(t).
● Wszystkie cztery diody są w stanie nieprzewodzenia, jeżeli chwilowa wartość bezwzględna
2
|<
napięcia źródła jest mniejsza od wartości chwilowej napięcia wyjściowego; |
. W tym
stanie kondensator rozładowuje się przez rezystor. Przebieg napięcia u2(t) jest wówczas ze stałą
czasową = ∙ . Na Rysunku 2 pokazano stan przewodzenia i nieprzewodzenia poszczególnych
diód.
Rysunek 2. Stan przewodzenia i nieprzewodzenia par diód D1 i D3 oraz D2 i D4.
Na Rysunku 3 przestawiono przebiegi czasowe napięć i prądów w prezentowanym układzie.
Oznaczenia przebiegów odpowiadają oznaczeniom na schematach, podanych na Rysunkach 1 i 2.
3
Rysunek 3. Przebieg napięcia na wyjściu prostownika u2(t), prądu i, jako sumy prądów wypływających
z układu diód, prądu kondensatora iC(t), prądu wyjściowego prostownika i2(t) oraz prądu ze źródła
i1(t).
4
Z powyżej przedstawionych wykresów przebiegów napięć i prądów można wywnioskować, że
wartość średnia napięcia wyjściowego U2śr zależy od wartości stałej czasowej τ = R ∙ C. Od jej wartości
zależy bowiem szybkość rozładowywania się kondensatora przez rezystor R.
Z Rysunku 3 wynika że, jeżeli stała czasu τ = R ∙ C zwiększa się, to zwiększa się wartość średnia
napięcia wyjściowego U2śr.
Dla projektowania zasilaczy diodowych może okazać się przydatny wykres na Rysunku 4
przedstawiający zależność względnej wartości średniej napięcia wyjściowego ś od wartości
parametru ∙ = ∙ ∙ ,
gdzie = 2 ∙ ∙ jest pulsacją sinusoidalnego napięcia zasilającego. Dla zasilaczy sieciowych f =
50Hz.
Z wykresu można odczytać, że dla zapewnienia 5-procentowego spadku wartości średniej napięcia
wyjściowego należy zapewnić parametr
∙
∙
> 25
Jest to ogólnie znany „wzór warsztatowy” dla doboru pojemności kondensatora wygładzającego.
Rysunek 4. Wykres zależności względnej wartości średniej napięcia wyjściowego
∙ =
∙
ś
od wartości
∙ .
Przykład:
Dobrać pojemność kondensatora wygładzającego w zasilaczu sieciowym o napięciu wyjściowym
znamionowym U2śrN = 24V i wyjściowym prądzie znamionowym I2śrN = 3A . Należy przewidzieć
możliwość 10-procentowego przeciążenia.
5
Rezystancja przy obciążeniu znamionowym:
=
ś !
" ś !
=
#$
%&
= 8Ω
Rezystancja minimalna obciążenia przy przeciążeniu:
= 7,2Ω
() = 0,9 ∙
.
.
Pojemność kondensatora wygładzającego: ≥ ∙/∙.0123 ∙4
= ∙/∙.0123 ∙8, Ω = 11 :
567
Należy więc dobrać trzy kondensatory elektrolityczne połączone równolegle o pojemnościach
4700μF.
Pojemność tak dobranego kondensatora: = 3 ∙ 4700=: = 14100=: = 14,1 mF
Minimalna stała czasu obwodu RC: () =
= 7,2Ω ∙ 14100 ∙ 10>? : = 101,5 @
() ∙
Parametr ω ∙ τmin dla f = 50 Hz: ∙ () = 2 ∙ ∙ 50@ >A ∙ 101,5 ∙ 10>% = 31,9
Dla tej wartości ω ∙ τmin odczytujemy z wykresu względną wartość średnią napięcia wyjściowego:
ś
= 0,96
Jeżeli wartość średnia napięcia wyjściowego ma wynosić U2śr = 24V, to amplituda sinusoidalnego
ś
= 25D
napięcia wejściowego powinna być:
= 0,C?
Wartość skuteczna napięcia uzwojenia transformatora zasilającego:
=
√
= 17,7D
Opracowała:
Jadwiga Balicka