Inteligentny podwójny zasilacz hybrydowy, część 1

Oba wyjścia są zasilane oddzielnym uzwojeniem tego samego transformatora i mogą być używane niezależnie lub w konfiguracji połączonej w celu utworzenia podwójnego napięcia (dodatniego i ujemnego) lub zasilania single-ended o wyższym prądzie.

W konstrukcji został zastosowany tryb hybrydowy (switchmode/linear), zapewniający przyzwoitą sprawność oraz niskie tętnienia i szumy wyjściowe. Ze względu na wysoką sprawność, zasilacz nie potrzebuje wentylatorów, nie wytwarza więc hałasu nie gromadzi też kurzu.

Można zastanawiać się nad sensownością budowy pary zasilaczy liniowych 45 V, 8 A (np. opisanych w październikowym i listopadowym wydaniu z 2019 r.: siliconchip.com.au/Series/339) i łączenia ich ze sobą. Z pewnością można tak robić, ale opisywany tu zasilacz jest znacznie bardziej kompaktowym i tańszym rozwiązaniem. Dodaje cenne funkcje, takie jak monitorowanie napięć i prądów na jednym ekranie oraz wyłączanie lub zmniejszanie napięcia na obu wyjściach w przypadku przekroczenia limitu prądu.

Nieco mniejsze możliwości napięciowe i prądowe (25 V zamiast 45 V i 5 A zamiast 8 A) nadal będą wystarczające dla większości zastosowań. Chociaż zasilacz nie pozwoli na testowanie modułu wzmacniacza o mocy 100 W przy jego pełnym wysterowaniu, z pewnością wystarczy do testowania go przy niższych poziomach mocy. Takie sprawdzenie pozwoli zorientować się, czy wzmacniacz działa przed podłączeniem docelowego zasilania. A gdy nie jest on używany jako zasilacz śledzący, można całkowicie uniezależnić oba wyjścia i sterować nimi oddzielnie.

Kolejną zaletą cyfrowego sterowania jest to, że wewnętrzne okablowanie zasilacza jest względnie proste i estetyczne. Składa się głównie z kilku tasiemek przenoszących sygnały sterujące oraz kilku przewodów dostarczających zasilanie stałoprądowe.

Zastosowanie mikrokontrolera do sterowania zasilaczem i interfejsem użytkownika pozwala na inteligentne kontrolowanie ograniczeń. Może on określać limity napięcia i prądu w oparciu o moc znamionową transformatora i jego napięcie wtórne. Dzięki temu możliwe jest stosowanie szerokiej gamy transformatorów. 

W zasilaczu są zastosowane dwie takie same płytki stabilizatorów dla dwóch linii wyjściowych. Jeśli potrzebna jest tylko jedno napięcie wyjściowe, można go zbudować z pojedynczą płytką – interfejs użytkownika może obsługiwać implementacje z jedną lub dwiema liniami.

Możliwa jest też konfiguracja bez mikrokontrolera. Płytka stabilizatora zezwala na taką konfigurację pracy. Potrzebne są wówczas tylko dwa potencjometry. Konieczne będzie wtedy jednak opracowanie własnej metody monitorowania napięcia i prądu. Pozwoli to pominąć sporo droższych elementów, takich jak układy konwersji analogowo-cyfrowej, izolatory, mikrokontroler i wyświetlacz.

Interfejs zasilacza jest jednak prosty w użyciu. Najczęściej regulować będziemy zaledwie dwa najważniejsze parametry: napięcie wyjściowe i ograniczenie prądu. W razie potrzeby, w menu ustawień uwzględniono więcej szczegółów, w tym ekrany kalibracji i konfiguracji.

Interfejs jest sterowany za pomocą dwóch enkoderów obrotowych ze zintegrowanymi przyciskami oraz dwóch dodatkowych przycisków. Enkodery regulują ograniczenia napięcia i prądu, podczas gdy naciśnięcie jednego z nich przełącza sterowanie między dwoma wyjściami.

Jeden z dodatkowych przełączników pozwala przejść do trybu konfiguracji, natomiast drugi przycisk to przycisk „zatrzymania awaryjnego”, który natychmiast wyłącza wyjście zasilacza. Będzie to przydatne, jeśli niespodziewany dym zacznie wydobywać się z zasilanego urządzenia. Ponowne naciśnięcie przywraca aktywność wyjścia.

Efektywność

Podczas pomiaru oscyloskopem, szumy i przydźwięk związane z siecią zasilającą nie są wykrywalne, podobnie jak szumy przełączania. Szum wyjściowy jest zwykle mniejszy od 20 mVpp i mniejszy niż 5 mV RMS. Wartość ta jest prawie stała w całym zakresie zmian obciążenia.

Reakcja zasilacza na zmianę obciążenia jest dobra.

W odpowiedzi na zwarcie na wyjściu, napięcie spada do osiągnięcia zaprogramowanego limitu prądu niemal natychmiast i pozostaje stabilne. Przywrócenie trwa około 5...10 ms i ma bardzo małe przeregulowanie.

Zasilacz nie ma problemów termicznych przy zwarciu. Przy obu kanałach dostarczających 5 A ciągłego prądu do zwarcia, radiator będzie dość gorący w dotyku, ale ustabilizuje się na poziomie około 60°C.

Konstrukcja hybrydowa

W zasilaczu zostały zastosowane zarówno stabilizatory impulsowe, jak i liniowe, podobnie jak zasilacz impulsowy/liniowy, którego opis był zamieszczony w Silicon Chip – wydanie kwiecień-czerwiec 2014 (siliconchip.com.au/Series/241) i nowszy hybrydowy zasilacz laboratoryjny z Wi-Fi (maj i czerwiec 2021; siliconchip.com.au/Series/364).

Kilka szybkich obliczeń pokazuje, że czysto liniowy zasilacz dostarczający ±25 V i 5 A wymagałby ogromnego radiatora, rozpraszającego ponad 125 W na linię lub 250 W łącznie. Dzięki zastosowaniu wstępnej przetwornicy impulsowej, która generuje nieco większe napięcie niż potrzebuje stabilizator liniowy na swoim wejściu, wymagania te zostały znacznie zmniejszone. Założeniem tego projektu było uzyskanie około 5 V nadwyżki. Jeśli uda się to osiągnąć, rozproszenie mocy stabilizatora liniowego wyniesie maksymalnie 5 V × 5 A = 25 W przy regularnej pracy na jedną linię, co daje łącznie 50 W w najgorszym przypadku. Jest to nadal rozsądna ilość ciepła konieczna do rozproszenia. Stabilizator wstępny i mostek prostowniczy również rozpraszają trochę mocy, co doda około 10 W.

Wadą jest to, że zasilacze impulsowe mają reputację trudnych do zaprojektowania. Ze względu na sposób ich działania są źle postrzegane, gdyż odpowiadają za wprowadzanie szumów do układów. Założeniem było zbudowanie urządzenia ze standardowych elementów, który „po prostu będzie działać”.

W trakcie prac konstrukcyjnych testowane były dwa alternatywne układy stabilizatorów wstępnych, zanim została wybrana ostateczna wersja zastosowana w opisywanym zasilaczu. 

W rezultacie założenia projektowe zostały spełnione i w obudowie zasilacza zgrabnie zmieszczono dwa niezależne stabilizatory. Urządzenie może dostarczać prąd 5 A w zakresie 2...25 V w sposób ciągły na linię, bez potrzeby stosowania wentylatorów i otworów.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz