Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Skrzynka Porad - zasilanie symetryczne z pojedynczego napięcia

Jeden z Czytelników nadesłał pytanie dotyczące znalezionego przez siebie schematu zasilania symetrycznego z pojedynczego napięcia i pytał o ewentualne inne rozwiązania. W niniejszym artykule omówimy ten temat na podstawie przykładów.
Article Image
(...) mam generator, który wymaga symetrycznego zasilania ± 50V, mam też transformator 78V 250VA. W Internecie znalazłem taki schemat [rysunek A], który mnie zainspirował. Czy zda to egzamin? Prąd potrzebny do zasilania stopnia mocy to ±3A. (...) jakiś inny pomysł na zasilanie symetryczne z pojedynczego napięcia? (...)

Po pierwsze schemat z rysunku A wprowadza w błąd. Z pojedynczego uzwojenia wtórnego transformatora można uzyskać napięcie symetryczne i wystarczą do tego dwie diody według rysunku B. Jest to popularny podwajacz napięcia z prostowaniem jednopołówkowym. Schemat z rysunku A ma identyczne działanie jak ten z rysunku B, tylko niepotrzebnie zawiera mostek, gdzie po dwie diody połączone są równolegle. Wersja z rysunku C z mostkiem i prostowaniem dwupołówkowym wymaga dzielonego uzwojenia wtórnego i jest powszechnie stosowana w zasilaczach wzmacniaczy mocy audio.

Opis1
Rys.B Napięcie symetryczne uzyskane dzięki dwóm diodom

Niestety Autor pytania ma zupełnie inne potrzeby. W układzie z rysunku A i B z uzwojenia o napięciu znamionowym X woltów otrzymamy symetryczne napięcie stałe o wartości mniej więcej ±1,4X, czyli w sumie około 2,8X. Tak duże, ponieważ prostowane jest napięcie sinusoidalne, a na kondensatorze wyjściowym otrzymujemy napięcie praktycznie równe napięciu szczytowemu sinusoidy.

Autor pytania ma transformator o napięciu wtórnym 78V (AC), a więc na wyjściu takiej wersji otrzymałby napięcie symetryczne około ±109V, w sumie ponad 200V. Tymczasem on potrzebuje zasilacza symetrycznego o napięciu około ±50V, czyli o połowę mniejszego. Jego pomysł jest słuszny i pytanie sensowne: jak pojedyncze napięcie podzielić na dwie równe części, by uzyskać napięcie symetryczne?

Rys.C Wersja z mostkiem i prostowaniem dwupołówkowym
Rys.D Układ podwajacza prądu nie nadający się do transformatorów sieciowych 50Hz

Pytanie jest też o tyle sensowne, że niedawno omawialiśmy w EdW specyficzny rodzaj prostownika według rysunku D, zwany podwajaczem prądu (current doubler), gdzie rzeczywiście z pojedynczego uzwojenia uzyskiwaliśmy podwójny prąd i połowę napięcia z transformatora.

Owszem, ale koncepcja podwajacza prądu jest wykorzystywana tylko w przetwornicach impulsowych pracujących przy częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kiloherców i więcej. Nie nadaje się ona do transformatorów sieciowych 50Hz, ponieważ wymagane indukcyjności dławików podwajacza prądu byłyby niepraktycznie duże. Układ podwajacza prądu z rysunku D musimy więc odrzucić.

Ale trzeba się zastanowić nad innymi rozwiązaniami. W przypadku napięcia stałego od razu nasuwa się oczywiste rozwiązanie w postaci dzielnika rezystancyjnego z dwoma jednakowymi rezystorami według rysunku E. Gdy mamy do dyspozycji napięcie zmienne, możliwości jest więcej i słusznie nasuwa się pytanie, czy istnieją jakieś sprytne sposoby podziału napięcia. Tak! W przypadku napięć zmiennych zamiast dzielnika rezystancyjnego możemy zastosować dzielnik pojemnościowy według rysunku F z dwoma jednakowymi pojemnościami.

Rys.E Wersja z dzielnikiem rezystancyjnym z dwoma jednakowymi rezystorami
Rys.F Dzielnik pojemnościowy zamiast dzielnika rezystancyjnego

Wydaje się, że układ według rysunku G jest takim dzielnikiem pojemnościowym z kondensatorami o bardzo dużej pojemności, a więc o małej reaktancji XC.

I tak, i nie. W grę wchodzą dwie sprawy. Po pierwsze, każdy dzielnik z dwoma jednakowymi elementami, zarówno rezystancyjny, jak i pojemnościowy, dzieli napięcie dokładnie na połowę tylko wtedy, gdy nie jest obciążony oraz gdy obie gałęzie obciążone są jednakowo. Jeśli za pomocą dzielnika próbujemy zrobić obwód sztucznej masy, jest to jak najbardziej możliwe. Przykład na rysunku H.

Rys.G Dzielnik pojemnościowy z kondensatorami o bardzo dużej pojemności
Rys.H Obwód sztucznej masy zrobiony za pomocą dzielnika

Niestety, niesymetria prądów gałęzi dodatniej i ujemnej będzie zmieniać napięcia wyjściowe. Dwa przykłady pokazane są na rysunku J. Najprościej biorąc, w takich dzielnikach do poprawnej pracy niesymetria prądów obu gałęzi (i prąd płynący w obwodzie masy) powinna być dużo mniejsza niż prąd płynący przez dzielnik RA, RB. Można w uproszczeniu przyjąć, że obwód sztucznej masy ma w stosunku do „prawdziwej masy” rezystancję o wartości takiej, jak rezystory dzielnika. Przepływ prądu w obwodzie sztucznej masy powoduje „skrzywienie symetrycznych napięć wyjściowych”, co widać na rysunku J.

Po drugie, zestaw par jednakowych kondensatorów z rysunku G jest rzeczywiście dzielnikiem napięcia zmiennego, jednak taki dzielnik jest też przede wszystkim filtrem wyjściowym prostego zasilacza prądu stałego i jest obciążony prądem stałym. A dla prądu stałego kondensatory mają oporność nieskończenie wielką. A to jest poważny problem, ponieważ już malutka różnica składowych stałych prądów obciążenia obu gałęzi po pewnym czasie, zależnym od pojemności, spowoduje zmniejszenie jednego z napięć do zera i odpowiedni wzrost wartości drugiego.

Rys.J „Skrzywienie symetrycznych napięć wyjściowych”
Rys.K Dołączenie rezystorów

Niewiele pomoże dołączenie rezystorów według rysunku K. Takie rezystory bywają stosowane w niektórych zasilaczach albo do likwidacji skutków prądów upływu kondensatorów elektrolitycznych, albo do rozładowania (wysokonapięciowych) kondensatorów wyjściowych po wyłączeniu zasilania. Aby spełniły swoją funkcję przy znacznej niesymetrii prądów wyjściowych, musiałby przez nie płynąć duży prąd, co wiązałoby się z ogromnymi stratami mocy. Musiałyby to być rezystory dużej mocy i ta tracona moc byłaby marnowana przez cały czas pracy.

Autor pytania nie pisze (bo zapewne nie wie), jaka może być maksymalna niesymetria poboru prądu z obu gałęzi. Jeśliby spodziewana największa niesymetria była malutka, czyli jeśli obie gałęzie cały czas byłyby jednakowo obciążone, to być może można byłoby wykorzystać rozwiązanie z rysunku K z rezystorami o stosunkowo dużej oporności i stosunkowo małej mocy strat. Jeżeli jednak w układzie może wystąpić duża niesymetria prądów obciążenia obu gałęzi, trzeba szukać lepszego rozwiązania. W literaturze można znaleźć odmiany układu pokazanego na rysunku L.

Rys.L Alternatywna wersja układu

W spoczynku prądy rezystorów R1, R2 oraz spoczynkowe prądy tranzystorów są niewielkie (pary D1–T1 oraz D2–T2 powinny mieć jednakową temperaturę), a w razie potrzeby tranzystory mogą przyjąć stosunkowo duże prądy płynące przez punkt sztucznej masy. Trzeba tylko sensownie dobrać typy tranzystorów i diod oraz wartości rezystorów. Tu rezystancja obwodu sztucznej masy jest zdecydowanie mniejsza i niesymetria prądów ma zdecydowanie mniejszy wpływ.

Warto zauważyć podobieństwo rysunku M i stopnia wyjściowego wzmacniaczy audio – spotyka się propozycje budowy jeszcze skuteczniejszego obwodu sztucznej masy z użyciem albo wzmacniacza mocy audio, albo wzmacniacza operacyjnego i tranzystorów wyjściowych. Przykłady można znaleźć, wpisując w wyszukiwarkę na przykład: artifical OR virtual ground schematic.

Tematyka materiału: transformator, podwajacz prądu, dzielnik rezystancyjny
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
wrzesień 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo