Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 1 – Rozważania ogólne (stabilizator liniowy)

Przez ostatnie kilka lat oblicze elektroniki poważnie się zmieniło i dziś bezapelacyjnie dominują zasilacze i przetwornice impulsowe. Jednak w ramach cyklu nadal będziemy zajmować się realizacją stabilizatora liniowego.
Article Image

A dlaczego zasilacza liniowego, a nie nowocześniejszego impulsowego?

Podstawową zaletą zasilaczy impulsowych jest ich wysoka sprawność energetyczna, co pozwala stosować małe radiatory, a czasem nawet radiatory można zupełnie wyeliminować. Owszem, to ogromnie ważna, ale w sumie jedyna zaleta zasilaczy impulsowych. Generalnie mają one gorsze parametry, bywają kapryśne, a ich podstawową wadą są wytwarzane zakłócenia. Wprawdzie w większości zastosowań te zakłócenia nie są problemem, ale inaczej jest w laboratorium.

Często zasilacze impulsowe zakłócają pracę sąsiednich czułych urządzeń i dlatego należy ograniczać, a wręcz eliminować obecność zasilaczy impulsowych w laboratorium. Ponadto zasilacze impulsowe z natury na wyjściu zawierają tętnienia o dużej częstotliwości.

Fot.1 Lekki impulsowy zasilacz PS3010 (30V, 10A)

Warto zwrócić uwagę, że dziś najtańsze zasilacze warsztatowe zawierają przetwornice impulsowe, natomiast zasilacze droższe, lepsze, nadal są zasilaczami liniowymi. Przykładem może być porównanie, pokazanych na fotografiach 1, 2 taniego, lekkiego impulsowego zasilacza PS3010 (30V, 10A) z docenianym przez użytkowników, dużo droższym, cięższym i nieporównanie lepszym liniowym Korad KA3005 (30V, 5A). Do problemu będziemy wracać, w każdym razie chcemy zaprojektować zasilacz liniowy, który nie będzie wytwarzał zakłóceń.

Fot.2 Liniowy zasilacz Korad KA3005 (30V, 5A)

W EdW na zasilacze impulsowe przyjdzie czas w cyklu o przetwornicach, a w ramach cyklu Taki zwyczajny zasilacz... chcemy wspólnie zrealizować zasilacz liniowy o możliwie dobrych parametrach. Ma to być zasilacz warsztatowy, a może nawet precyzyjny zasilacz laboratoryjny o napięciu regulowanym w szerokim zakresie, z ogranicznikiem prądowym o szerokim zakresie regulacji.

W niniejszym pierwszym odcinku chcemy przeanalizować rozmaite wersje i rozwiązania układowe, by finalnie stworzyć elastyczną koncepcję, którą można będzie wykorzystać na różne sposoby. Podstawą tej koncepcji ma być uniwersalny moduł stabilizatora liniowego, którego napięcie wyjściowe i prąd ograniczania będą ustawiane za pomocą napięć, podawanych na odpowiednie wejścia (U, I).

Pozwoli to na realizację najprostszych i najtańszych wersji według idei z rysunku 3, gdzie moduł stabilizatora będzie dodatkiem do jakiegokolwiek (nieregulowanego, niestabilizowanego) źródła prądu stałego. Takim pierwotnym źródłem zasilania może być akumulator, transformatorowy zasilacz niestabilizowany, a w ostateczności także zasilacz impulsowy, na przykład od laptopa czy modyfikowany zasilacz od komputera stacjonarnego.

Rys.3 Najprostsza i najtańsza wersja - schemat zasilacza liniowego

Taki główny moduł liniowego zasilacza-stabilizatora ma być też wyposażony w dodatkowe obwody analogowe, rozszerzające jego możliwości współpracy z mikroprocesorem. Przede wszystkim obwody wyjściowe dające informację o aktualnym napięciu i aktualnym prądzie wyjściowym, a także wejścia i wyjścia sygnałów sterujących, sygnalizacyjnych i alarmowych.

W pierwszej kolejności umożliwi to chętnym dołączenie według rysunku 4 jakichkolwiek mierników: wskazówkowych albo cyfrowych, które mogą pokazać zarówno aktualne wartości napięcia i prądu wyjściowego, jak i wartości nastawione (prąd aktualny z reguły jest mniejszy niż nastawiony prąd ograniczania). Przydatne są też kontrolki (LED) trybu pracy, pokazujące, czy moduł stabilizuje napięcie, czy przeszedł w tryb ograniczania prądu.

Rys.4 Zasilacz liniowy z miernikami - schemat

W wersji maksymalnej taki moduł stabilizatora może współpracować ze sterownikiem mikroprocesorowym, którzy nie tylko pozwoli ustawiać parametry w sposób cyfrowy, ale też powoli na zdalną regulację z wykorzystaniem jakiegoś izolowanego galwanicznie łącza cyfrowego (UART, USB, I2C, Ethernet, ...) według rysunku 5. Oczywiście trzeba będzie wtedy zadbać o odpowiednie, oddzielne zasilanie modułu stabilizatora oraz mikroprocesora.

Rys.5 Moduł stabilizatora z łączem cyfrowym

Zastosowanie mikroprocesora pozwoli zrealizować liczne dodatkowe opcje, jakie tylko można sobie wyobrazić. Jedną z ważniejszych jest możliwość skokowego wyboru wartości wejściowego napięcia zasilającego stabilizator za pomocą przekaźników albo płynnej regulacji wstępnego zasilacza impulsowego według rysunku 6. Komplikuje to konstrukcję zasilacza, ale pozwoli zdecydowanie zmniejszyć straty mocy w module liniowego stabilizatora.

Moduł ma być naprawdę uniwersalny, przewidziane są jego dodatkowe funkcje, ale w zależności od docelowego zastosowania nie wszystkie będą wykorzystane, więc finalnie zmontowane na nim zostaną albo tylko niektóre, kluczowe, albo też wszystkie elementy. Możliwe jest też rozbicie głównego modułu stabilizatora na dwie lub trzy części: jedna realizowałaby tylko funkcje podstawowe, druga i trzecia mogłyby pełnić funkcje dodatkowe, poprawiające właściwości i wzbogacające możliwości sterowania.

Rys.6 Płynna regulacja wstępnego zasilacza impulsowego

Podstawowe parametry zasilacza, który chcemy zrealizować w ramach tego przedsięwzięcia, to prąd wyjściowy do 3A i napięcie co najmniej do 33V, co daje maksymalną moc wyjściową 100W. Dlaczego takie parametry? To wyjaśni się w dalszej części cyklu.

W każdym razie na bazie planowanego modułu stabilizatora mają być budowane różne zasilacze, o różnych możliwościach, o mniejszej i większej mocy. Finalne parametry będą zależeć od możliwości źródła zasilającego, a przede wszystkim od skuteczności chłodzenia MOSFET-a regulacyjnego. W każdym razie gdy taki główny, uniwersalny moduł stabilizatora powstanie, planujemy ogłosić konkurs na pomysły jego wykorzystania. Ale wcześniej musimy wspólnie taki moduł zaprojektować.

Podstawowa koncepcja modułu stabilizatora liniowego

Moduł ma być liniowym stabilizatorem o napięciu i prądzie regulowanych w szerokim zakresie za pomocą napięć dostarczanych z zewnątrz. Głównym elementem regulacyjnym musi być tranzystor mocy: bipolarny albo MOSFET. MOSFET-y mają dwie korzystniejsze właściwości: są mniej podatne na uszkodzenie „przeciążeniowe”, bo nie występuje w nich zjawisko tzw. drugiego przebicia (second breakdown), a złącze może pracować w wyższej temperaturze (nie +150°C, tylko +175°C), co pozwala zredukować wielkość radiatora. Odpowiednie zaprojektowanie modułu powinno też pozwolić na wymienne stosowanie albo MOSFET- a, albo darlingtona.

Kwestia napięcia równego zeru, czyli obwodu i potencjału masy, jest umowna, tym bardziej że nie wykluczamy izolacji galwanicznej. Mamy więc do wyboru cztery główne konfiguracje z rysunku 7. Rysunki 7a, 7b pokazują sterowanie „od góry”, ale jak najbardziej możliwe jest też włączenie tranzystorów „od dołu” według rysunków 7c, 7d. Z uwagi na łatwość sterowania bramką MOSFET-a, najprostsze wydaje się wykorzystanie wersji z rysunku 7a z MOSFET-em P albo jeszcze lepiej z rysunku 7d, ponieważ MOSFET-y z kanałem P są mało popularne, droższe.

W obu przypadkach napięcie sterujące na bramce MOSFET-a zawiera się w granicach głównego napięcia zasilania. Natomiast w konfiguracjach z rysunków 7b i 7c do pełnego otwarcia MOSFET-a niezbędne jest napięcie na bramce wykraczające poza główne napięcie zasilania – wtedy potrzebne jest jakieś dodatkowe źródło zasilania o niedużej wydajności do zasilania obwodu bramki.

Rys.7 Liniowy stabilizator - tranzystory (regulacja)

Niestety, w prostszych do sterowania konfiguracjach z rysunków 7a, 7d tranzystor pracuje w układzie wspólnego źródła (odpowiednik wspólnego emitera), a przez to silnie zmieniają się jego parametry przy zmianach poboru prądu od zera do maksimum. Mówiąc fachowo, transmitancja układu silnie zależy od prądu obciążenia. Wprawdzie można to opanować, ale spodziewamy się różnych problemów, a znacznie mniej kapryśny jest stabilizator, gdzie tranzystor regulacyjny pracuje w układzie wtórnika – wspólnego drenu (kolektora).

To prowadzi nas do rysunku 7b (7c odrzucamy z uwagi na parametry i ceny MOSFET-ów P), ale trzeba rozwiązać kłopot pełnego otwarcia MOSFET-a N, którego napięcie bramki musi być wtedy o kilka woltów wyższe od głównego dodatniego napięcia zasilania.

Czy jest to konieczne?

W zasadzie nie. Jednak pamiętajmy, że opracowujemy stabilizator liniowy, w którym straty mocy w postaci ciepła są równe iloczynowi prądu i spadku napięcia na tranzystorze (PD = I * UDS).

Bez dodatkowego pomocniczego źródła zasilania maksymalne otwarcie MOSFET-a uzyskamy przy dołączeniu jego bramki do plusa głównego obwodu zasilania (i do drenu). A wtedy napięcie na źródle będzie niższe o napięcie UGS. Jak wiadomo, napięcie progowe UGSth dla klasycznych MOSFET-ów wynosi 2...4V, typowo około 3V, podczas pracy trochę wiecej.

Czyli dołączając bramkę do drenu, godzimy się na to, że w najlepszym przypadku napięcie dren-źródło (UDS) będzie nie mniejsze niż 2...4V. Aby zmniejszyć to napięcie, a tym samym zmniejszyć straty, trzeba podać na bramkę napięcie jeszcze wyższe, dodatnie względem drenu. To pozwoli uzyskać napięcie wyjściowe praktycznie równe napięciu wejściowemu (mniejsze tylko o malutki spadek napięcia na rezystancji RDSon, rzędu ułamka wolta).

Rys.8 Dodatkowe źródło zasilania obwodu bramki MOSFET-a

Choć więc nie jest to absolutnie konieczne, naprawdę warto zastosować dodatkowe źródło zasilania obwodu bramki MOSFET-a. Jak pokazuje rysunek 8a, można byłoby dodać jakiś oddzielny malutki zasilacz, można zastosować popularną 1...2-watową przetwornicę izolowaną (rysunek 8b), a w wersji z dużym klasycznym transformatorem sieciowym można byłoby wykorzystać obwód z dodatkowym prostownikiem według rysunku 8c.

W zasadzie trzecia wersja jest najtańsza i najprostsza, a napięcie i wydajność prądową można łatwo regulować wartością rezystora Rx. Jednak nie zawsze moduł stabilizatora będzie zasilany z klasycznego transformatora, więc najbardziej uniwersalne okazują się dwie pierwsze wersje. Ja zdecydowałem się na małą przetwornicę z rysunku 8b.

Trzeba też zdecydować, jak mierzyć prąd wyjściowy.

Rys.9 Mierzenie prądu wyjściowego

Można byłoby według rysunku 9 mierzyć prąd wyjściowy „bezdotykowo”, za pomocą hallotronu, choćby ACS712 5A, co jest jak najbardziej realną wersją. W zasilaczu niepotrzebny jest jednak dwukierunkowy pomiar prądu, a w grę wchodzi dużo prostszy pomiar spadku napięcia na małej rezystancji RP. Jak pokazuje rysunek 10, rezystor pomiarowy mógłby być umieszczony w różnych punktach obwodu.

W naszym przypadku optymalne jest umieszczenie go „na dole” (rysunek 10c), ponieważ dodatkowo będzie też pracował w obwodzie zabezpieczenia zwarciowego, a taka konfiguracja pozwoli łatwo i precyzyjnie mierzyć prąd za pomocą jednego wzmacniacza operacyjnego

Rys.10 Rezystor pomiarowy umieszczony w różnych punktach obwodu zasilacza

Jeżeli moduł ma mieć szeroki zakres napięć wyjściowych, musimy też zapewnić szeroki zakres zmian napięcia sterującego na bramce głównego tranzystora. Możliwe jest sterowanie bramki wprost z wyjścia wzmacniacza operacyjnego według rysunku 11a. Jest sporo wzmacniaczy o sumarycznym napięciu zasilania do 44V (±22V).

Tak, ale my projektujemy uniwersalny moduł i przewidywany zakres napięć wyjściowych powinien być dużo większy, a to bardzo utrudnia znalezienie wzmacniacza operacyjnego, który bezpośrednio sterowałby bramką MOSFET-a. Dziś dostępnych jest mnóstwo wzmacniaczy operacyjnych o niskim dopuszczalnym napięciu zasilania: 12V...16V a nawet tylko 5,5V. I choćby tylko z uwagi na obfitość niskonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych, w tym rail-to-rail, warto główne obwody sterujące zasilić pojedynczym napięciem właśnie o wartości 5...5,5V (a nie jak wcześniej planowaliśmy 7V).

Sterowanie MOSFET- a można zrealizować za pomocą tranzystora, albo w układzie wspólnego emitera (rysunek 11b), albo wspólnej bazy (rysunek 11c), co usuwa wszelkie ograniczenia dotyczące wartości głównego napięcia zasilającego. Dochodzi natomiast konieczność zastosowania oddzielnego źródła napięcia 5...5,5V.

Rys.11a Sterowanie bramki wprost z wyjścia wzmacniacza operacyjnego; 11b Układ wspólnego emitera; 11c Układ wspólnej bazy

Takie założenia prowadzą nas do podstawowej koncepcji, pokazanej na rysunku 12. Oprócz głównego źródła zasilania, potrzebne jest tylko jedno oddzielne źródło napięcia 5...5,5V o niedużym prądzie i dla wygody właśnie z tego źródła jest zasilana przetwornica do wytwarzania pomocniczego napięcia bramki.

Rys.12 Koncepcja modułu stabilizatora

Działanie modułu jest bardzo proste. Zasadę regulacji i stabilizacji napięcia łatwo przeanalizować na podstawie rysunku 13. Dzielnik RA, RB zmniejsza napięcie wyjściowe 10-krotnie. Zmniejszone napięcie (UO) jest porównywane z napięciem wejściowym (UI) z potencjometru. Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego A decyduje o prądzie emitera i kolektora tranzystora TG, pracującego w układzie wspólnej bazy. Obniżenie napięcia w punkcie X powoduje zwiększenie prądu tranzystora TG, a to zwiększa spadek napięcia na rezystancji RG, przez co napięcie na bramce MOSFET-a zmniejsza się, zmniejszając też napięcie wyjściowe.

Rys.13 Zasada regulacji i stabilizacji napięcia - moduł stabilizatora

Podczas normalnej pracy na wyjściu wzmacniacza operacyjnego napięcie ma taką wartość, żeby napięcie wyjściowe było 10-krotnie większe od wejściowego UI. Napięcie UO z dzielnika może być też podane na współpracujący mikroprocesor. Dla zmniejszenia zakłóceń jest ono buforowane przez wtórnik na wzmacniaczu operacyjnym C.

Zasada działania obwodu pomiaru i ograniczania prądu też jest bardzo prosta – rysunek 14.

Spadek napięcia na małej rezystancji pomiarowej RP daje niewielkie napięcie, ujemne względem masy. Napięcie to jest podane na odwracający wzmacniacz operacyjny B, którego wejście nieodwracające jest dołączone do masy. Na jego wyjściu występuje napięcie (IO) dodatnie względem masy, wprost proporcjonalne do prądu obciążenia. Można je wykorzystać do zobrazowania wartości prądu. Za pomocą dzielnika RD/RC można dobrać współczynnik przetwarzania prądu na napięcie, na przykład 1V/1A, co ułatwi pomiar za pomocą jakiegokolwiek woltomierza.

Rys.14 Zasada działania obwodu pomiaru i ograniczania prądu - moduł stabilizatora

Dodatkowo napięcie pokazujące aktualną wartość prądu (IO) jest porównywane z podawanym z zewnątrz napięciem II które ustala maksymalny prąd wyjściowy. Gdy napięcie IO stanie się większe od zadanego napięcia II, zadziała wzmacniacz operacyjny D i zmniejszy napięcie wyjściowe, by ograniczyć prąd do wartości wyznaczonej przez napięcie II.

Połączenie wejść i wyjścia wzmacniacza operacyjnego oznaczonego D nie jest jeszcze do końca ustalone, ponieważ obwody ogranicznika prądowego można zrealizować w różny sposób. W grę wchodzi kilka dość istotnych czynników, dlatego te szczegóły musimy zostawić do późniejszej analizy i decyzji.

W sumie koncepcja z rysunku 12 może się wydać nieco dziwna. Moduł stabilizatora można byłoby zrealizować na wiele innych sposobów, ale jak się jeszcze okaże, przyjęte rozwiązanie pozwala w prosty sposób zrealizować wiele cennych opcji dodatkowych.

Bardzo dużą zaletą jest fakt, że obwody kontrolno-sterujące modułu mają być zasilane pojedynczym, „mikroprocesorowym” napięciem w zakresie 5...5,5V. Malutka izolowana przetwornica DC/DC (5V/12V), kosztująca około 10 złotych, skutecznie rozwiązuje problem „górnego, dodatkowego zasilania bramki”. Dzięki niej nie jest potrzebny dodatkowy zasilacz pomocniczy.

Natomiast główne robocze napięcie zasilające UZ jest praktycznie nieograniczone: maksymalne napięcie wejściowe i wyjściowe może sięgać nawet setek woltów, zależnie od dopuszczalnych napięć głównego MOSFET-a i tranzystora sterującego TG, a w praktyce także oczywiście od mocy strat i skuteczności chłodzenia. Cenną zaletą proponowanego rozwiązania jest fakt, że główne napięcie zasilające UZ może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie, nawet w trakcie pracy, ponieważ nie wpływa ono na działanie obwodów sterująco-pomiarowych, które są oddzielne zasilane napięciem około 5V.

Wprawdzie wadą każdego liniowego stabilizatora jest konieczność rozproszenia dużej mocy strat, wydzielającej się w głównym tranzystorze regulacyjnym, jednak przyjęta koncepcja przy odrobinie wysiłku pozwala te straty mocy poważnie zmniejszyć. Można bowiem wykorzystać pomysł z rysunku 6 i skokowo lub płynnie zmieniać napięcie wejściowe, albo ręcznie za pomocą przełącznika, albo automatycznie.

Takie rozwiązanie wygląda też na sensowny punkt wyjścia do budowy zasilaczy z wyjściem symetrycznym i wielokanałowych. Jednak przy ich realizacji trzeba rozwiązać dodatkowe problemy związane z obwodami masy i izolacją galwaniczną.

W każdym razie na rysunku 12 mamy szkielet uniwersalnego modułu stabilizatora. W następnym odcinku zajmiemy się realizacją najważniejszych obwodów stabilizacji napięcia. Do czasu ukazania się następnego odcinka najbardziej aktywni Czytelnicy mogą natknąć się na pierwsze problemy, przeprowadzając własne eksperymenty z wykorzystaniem dowolnego MOSFET-a, tranzystora sterującego i wzmacniaczy operacyjnych LM358.

Tematyka materiału: zasilacz impulsowy, stabilizator liniowy
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2019
Udostępnij
UK Logo