Z czego składa się zasilacz impulsowy — część 2

Publikowałem już filmy poświęcone poszczególnym częściom zasilacza, ale po namyśle uznałem, że robiłem to nie tak, jak należy, a dokładniej — nie całkiem po kolei, więc postanowiłem to naprawić.
Tym artykułem rozpoczynam krótki cykl z serii „Jak to działa”, w którym spróbuję po kolei pokazać wszystkie bloki typowego zasilacza impulsowego, a także opowiedzieć, do czego służą i które elementy mogą ulec awarii.

Jak już opowiadałem, typowy zasilacz składa się z następujących bloków:
1. Filtr wejściowy i prostownik z kondensatorami filtrującymi.
2. Sterownik PWM i tranzystory falownika.
3. Transformator mocy i układy tłumiące przepięcia.
4. Prostownik wyjściowy, kondensatory filtra wyjściowego i układ sprzężenia zwrotnego.

Uproszczony schemat blokowy wyglądałby tak. Oczywiście zdarzają się wyjątki, ale ogólny obraz jest bardzo podobny.
Jako wyjątek wspomnę jeszcze o zasilaczach z przełączanymi kondensatorami, ale to już rzadkość.


Prawie każdy blok można z kolei podzielić na mniejsze części, więc być może opiszę je osobno. Dziś opowiem jednak o tym, od czego zaczyna się zasilacz impulsowy. Mam na przykład w planach osobny film poświęcony korektorom współczynnika mocy.
Zasilacz zaczyna się od wejściowego filtra przeciwzakłóceniowego, prostownika i kondensatorów filtrujących.


Na początku jest układ zabezpieczający, w którego skład wchodzą bezpiecznik, warystor, termistor i rezystor rozładowujący wejściowy kondensator filtra przeciwzakłóceniowego


Dalej jest filtr zakłóceń przedostających się z zasilacza do sieci.
Składa się z kondensatorów klasy X i Y oraz dławika skompensowanego.


Na końcu mamy prostownik i kondensatory filtrujące.


Chociaż opowiadałem już o filtrze wejściowym i elementach zabezpieczających, to jednak poświęcę im tutaj jeszcze chwilę.
Przyzwoity filtr wejściowy wygląda mniej więcej tak.


Może też wyglądać tak. Widać tu również dławik, kondensatory, bezpiecznik i warystor.


Albo tak wygląda filtr zasilacza Mean Well.


Jak już mówiłem, filtr zasilacza impulsowego to nie tylko ważny, ale często też dość skomplikowany element. Czasami liczba i złożoność jego elementów dorównują prostemu zasilaczowi. Oto na przykład schemat bardziej rozbudowanego filtra.


Takie filtry są zresztą sprzedawane jako osobne urządzenia, na przykład przez Mean Well.


Co więcej, producent umieścił schemat na obudowie, co jest dość nietypowe.
Podobne filtry można było znaleźć w krajowym sprzęcie komputerowym. Do dziś leży u mnie w domu jeden taki egzemplarz.


W każdym razie kluczowym elementem filtra jest dławik z dwoma uzwojeniami. Na szczęście łatwo sprawdzić, czy jest obecny.


Zdarzają się jednak producenci oszczędzający na wszystkim (aż chciałoby się im dać po łapach), którzy zamiast niego montują zworki. Chyba jasne, że niczego nie filtrują.
Najczęściej spotyka się je w najtańszych zasilaczach. Zdarzały mi się jednak wyjątki: w drogim zasilaczu były zworki, a w tanim — dławik.


Nie mniej ważnym elementem jest bezpiecznik. Po pierwsze, bywają różne, a czasem zastępuje się go rezystorem.
Oczywiście istnieją specjalne rezystory, ale ostatecznie montuje się zwykłe.
Bezpieczniki występują w różnych typach i rozmiarach. Takiego małego, jak na zdjęciu, nie nazwałbym dobrym.


A oto właściwe rozwiązanie: jest nie tylko większy, ale też zabezpieczony koszulką termokurczliwą. Nie chodzi o to, że większy znaczy lepszy — przecież nie dobieramy rozmiaru bezpiecznika według Freuda. Po prostu większy bezpiecznik ma większy odstęp między wyprowadzeniami, dzięki czemu przerwanie obwodu jest pewniejsze.


Zwykle uważa się, że bezpiecznik ma chronić sprzęt. To prawda, ale tylko częściowo. Jeśli w układzie jest warystor, to po przekroczeniu napięcia zacznie je ograniczać, a w efekcie przepali bezpiecznik, chroniąc w ten sposób sprzęt. Zdarzało mi się spotkać markowy sprzęt, do którego po przerwaniu przewodu neutralnego doprowadzono ponad 300 V. Po wymianie warystora i bezpiecznika wszystko działało jak wcześniej.
Jeśli nie ma warystora, bezpiecznik pełni jedynie funkcję ochrony instalacji elektrycznej.


Oznaczenia warystorów są bardzo proste. Trzy cyfry: dwie pierwsze oznaczają wartość, a trzecia — mnożnik. Na przykład w zasilaczach stosuje się warystory na 470 V, oznaczone 471.


No i oczywiście kondensatory. Opowiadałem o nich w osobnym filmie, więc krótko.
Po pierwsze, kondensatory typu Y łatwo pomylić z warystorami, bo mają podobne oznaczenia, kolor i rozmiary. Warystory mają jednak zwykle prostsze oznaczenia, a kondensatory Y są grubsze i mniejsze. Dlatego po prostu uważnie czytajcie oznaczenia.
Z kondensatorami typu X, tym po prawej na zdjęciu, sprawa jest znacznie prostsza: szukamy oznaczenia X1 lub X2, a także informacji o napięciu roboczym.


Kondensatory bezpieczeństwa mają zwykle więcej oznaczeń, więc można je rozpoznać nawet po wyglądzie.


I odpowiednio kondensatory typu X. Występują też w niebieskich obudowach — można je zobaczyć na początku filmu.


Za wszystkimi filtrami znajduje się prostownik. Jego zadanie jest proste: zamienić prąd przemienny na stały. Ale i tu mogą czekać niespodzianki.
Zwykle w zasilaczach impulsowych do prostowania stosuje się mostek diodowy — to chyba oczywiste i naturalne.


Niektórzy producenci potrafią jednak oszczędzać nawet na tym. Gdzieś walają mi się groszowe zasilacze, w których zastosowano prostownik jednopołówkowy, czyli w zasadzie tylko jedną diodę.
W takim rozwiązaniu tętnienia na wyjściu prostownika będą znacznie większe przy tej samej pojemności. Oczywiście można go przerobić, montując brakujące trzy diody, ale skoro tak na nim zaoszczędzono, taniej będzie go wyrzucić.


Mostek diodowy może być zbudowany z pojedynczych diod albo na bazie gotowego mostka w obudowie, co jest oczywiście znacznie wygodniejsze.


Przy okazji, ktoś mnie kiedyś zapytał, czy mostek diodowy trzeba montować na radiatorze. Powiedzmy, że zależy to od wielu czynników, ale jeśli zasilacz ma chłodzenie pasywne, lepiej przykręcić do niego niewielki radiator, tak jak zrobiono na przykład w zasilaczach Mean Well.
A na zdjęciu jest zasilacz o mocy zaledwie 150 W.


W zasilaczach o niewielkiej mocy najczęściej znajduje się tylko jeden kondensator, choć zdarzały mi się wyjątki.
Najczęściej te zasilacze są przystosowane do szerokiego zakresu napięcia zasilającego.



W mocniejszych zasilaczach najpewniej zobaczycie taki przełącznik. Pozwala on przełączać zakres napięcia wejściowego między 110 a 220 V.


Obok będą wtedy dwa kondensatory. Oczywiście nie jest to regułą: zdarzają się mocne zasilacze z jednym kondensatorem i na pewno o tym opowiem. Spotyka się też słabsze zasilacze z dwoma kondensatorami, po prostu najczęściej wygląda to tak, jak na zdjęciu.


W sieci natknąłem się na błędne przekonania i pewne niezrozumienie procesów zachodzących podczas przełączania napięcia, więc spróbuję to wyjaśnić.
W typowym dla nas trybie przełącznik jest rozwarty, a do wyjścia mostka diodowego podłączone są dwa kondensatory połączone szeregowo.
Rezystory służą do rozładowywania kondensatorów i niewielkiego wyrównywania napięcia na nich.


Ponieważ nie wszyscy mają w gniazdku 220 V, a czasem napięcie bywa nawet dwa razy niższe, wymyślono prosty sposób przełączania.
Po zwarciu przełącznika środkowy punkt połączenia kondensatorów zostaje podłączony do jednego z wejść, a mostek diodowy zaczyna działać jak dwie diody.


Jeśli nieco inaczej rozmieścić diody, układ staje się bardziej zrozumiały.


Układ zamienia się w dwa prostowniki jednopołówkowe, połączone tak, że jeden ładuje pierwszy kondensator z dodatniej połówki, a drugi robi to samo ze swoim kondensatorem, ale z połówki ujemnej. W rezultacie dwa niższe napięcia sumują się, dając pełne 300–310 V. Ten układ nazywa się prostownikiem z podwajaczem napięcia. Taki trik jest możliwy tylko przy prądzie przemiennym, który na szczęście wiele lat temu wygrał rywalizację z prądem stałym.


Takie rozwiązanie ma jednak niewielką wadę. Ponieważ układ pracuje w trybie podwajania napięcia, zwarcie wyłącznika przy naszych 220 V może skończyć się kiepsko. Prostownik spróbuje naładować kondensatory do napięcia 310 V każdy, a są one zwykle przystosowane zaledwie do 200 V.
W najlepszym razie ich denka się wybrzuszą, a cały pokój będzie przypominał puszkę z mlekiem.


Zdarzały mi się jednak gorsze przypadki, kiedy kondensator po prostu eksplodował, a na płytce zostawało tylko gumowe denko.


Najważniejsze w takiej sytuacji, żeby odrywające się denko nie trafiło w jakiś ważny organ, na przykład w oko.


Kolejne ważne pytanie, które często mi zadajecie, brzmi: jak dobrać wymaganą pojemność kondensatora wejściowego?
Zwykle zaleca się pojemność w mikrofaradach równą mocy zasilacza w watach, ale i tu są pewne niuanse. Spróbuję je omówić i pokazać na wykresach.
W pierwszym przykładzie napięcie sieciowe jest prawidłowe, a pojemność ma zapas — widać niewielkie tętnienia.


Napięcie wejściowe nieco spadło, ale wszystko jest w porządku. Tętnienia zbliżyły się do żółtej strefy, ale na razie nie jest to krytyczne.


Przywróćmy prawidłowe napięcie, ale zwiększmy obciążenie. Od razu widać, że rośnie amplituda tętnień. Taki tryb pracy może już szkodzić kondensatorowi wejściowemu, co w efekcie skraca jego żywotność.


Pozostawmy tę samą moc, ale obniżmy napięcie wejściowe. Amplituda tętnień nieco wzrasta, ponieważ falownik próbuje skompensować niedobór napięcia, pobierając energię z kondensatora przez dłuższy czas. To szkodliwe, ale wszystko działa.


Obniżmy napięcie jeszcze bardziej. Takie sytuacje się zdarzają i nie muszą trwać długo — na przykład rozruch sprężarki lodówki lub klimatyzatora przy słabej sieci może spowodować zauważalny spadek napięcia.
Napięcie na kondensatorze spada poniżej czerwonej strefy, czyli na wyjściu zasilacza zobaczymy tętnienia o częstotliwości 100 Hz. To już źle.

Jeszcze jeden eksperyment: nieco podnieśmy napięcie, ale zmniejszmy pojemność kondensatora. Wynik jest taki sam jak wcześniej, tylko amplituda tętnień jest większa, co jest jeszcze bardziej szkodliwe dla kondensatora.


W porządnych zasilaczach zwykle stosuje się kondensator z dużym zapasem pojemności. Jest to konieczne, aby zapewnić stabilną pracę w szerokim zakresie napięcia zasilającego i wydłużyć żywotność kondensatorów.
Na przykład w zasilaczu monitora o mocy około 40-50 W zastosowano kondensator o pojemności 120 µF, choć przy obliczeniach tylko dla 220 V wystarczyłoby 47-56 µF. Chyba nie sądzimy, że producent zrobił to z dobroci serca.


Aby poprawić parametry zasilacza, można zwiększyć pojemność, na przykład dołączając równolegle jeszcze dwa kondensatory. Pamiętajcie jednak, że kondensatory muszą mieć taką samą pojemność, a najlepiej, żeby były również identyczne.


Tak postępują producenci niektórych zasilaczy: tutaj cztery kondensatory połączono parami równolegle i szeregowo.


Można też zastosować jeden kondensator w poprzek szyny 310 V, ale w takim przypadku musi być przystosowany do napięcia co najmniej 400 V.


Tak przerabiałem zasilacze do mocnego zasilacza regulowanego. Poniżej widać wylutowany przełącznik napięcia wejściowego. Polecam zrobić to samo, bo raz na rok nawet wyłączony zasilacz może się spalić. :)


Kolejne popularne pytanie: jakie kondensatory najlepiej stosować — jakiej firmy, marki itp.
W chińskich zasilaczach często trafiają się podróbki markowych kondensatorów albo po prostu tanie, bezimienne kondensatory. Są oczywiście gorsze niż markowe, ale praktyka pokazuje, że w tym układzie nie ma to krytycznego znaczenia.


Najważniejsze, żeby kondensator nie okazał się „matrioszką”, dlatego lepiej zmierzyć jego pojemność i dopiero wtedy zdecydować, czy go wymienić, czy dodatkowo dołożyć inne.



W markowych zasilaczach oczywiście są porządne kondensatory, nie trafiłem na podróbki ani bezimienne.


A teraz kilka słów o producentach. W rzeczywistości wymagania dotyczące jakości kondensatora wejściowego nie są tak rygorystyczne jak w przypadku wyjściowego. Jeśli jednak chcemy zrobić to jak najlepiej, radziłbym zrezygnować z produktów no-name i wybrać markowe kondensatory.
Wybór jest całkiem spory, na przykład Nippon.


Albo Samwha, która wcześniej była Samsungiem — niedroga i dobrej jakości.


Nichicon, ale są droższe i rzadziej się na nie trafia.


Rubicon również produkuje dobre kondensatory, szkoda tylko, że dość często są podrabiane. Na przykład te z powyższych zdjęć są oznaczone jako RubiconG — jak się pewnie domyślacie, to zupełnie co innego.


Poza tym polecam całkiem dobre kondensatory CapXon z serii KF


Albo Jamicon.



Na koniec zostawiłem pytanie, które dostaję nieco rzadziej, ale jest równie ważne przy prawidłowym doborze kondensatorów filtrujących.
Pytano mnie, na jaką maksymalną temperaturę pracy powinny być przystosowane kondensatory kupowane na wymianę tych oryginalnych w zasilaczu.
W zasadzie zarówno kondensatory na 85, jak i na 105 stopni będą działać prawidłowo, ale jeśli zasilacz ma chłodzenie pasywne, zalecałbym zastosować kondensatory przystosowane do pracy w temperaturze 105 stopni — w takim zasilaczu będą działać dłużej. Jeśli zasilacz ma chłodzenie aktywne, nie sądzę, żeby dało się zauważyć istotną różnicę.


Na koniec kilka zdjęć zasilacza, który jest już niemal zabytkiem. Zasilacz ten był zamontowany w jakimś starym komputerze, jeśli dobrze pamiętam, bułgarskiej produkcji. Była tam też klawiatura z czujnikami Halla, w metalowej obudowie — praktycznie niezniszczalna rzecz. Zostały mi po niej tylko przyciski z czujnikami, teraz żałuję, że ją rozebrałem.
To zasilacz z chłodzeniem pasywnym i aktywnym korektorem współczynnika mocy, czyli właściwie z tym, co dziś promuje się jako ważną cechę. A 30 lat temu już to istniało i było dość powszechnie stosowane.
Zasilacz ma moc 270 W, choć na samej płytce podano 260 W. Napięcia wyjściowe to tylko 12 i 5 V.
Wyprodukowała go firma Boschert. Ależ byłem zdziwiony, gdy dowiedziałem się, że takie zasilacze nadal można kupić, choć są to egzemplarze odnowione.


A tak wygląda mój zasilacz. Może zrobię mu osobną sesję zdjęciową — myślę, że na to zasłużył :)
Wybaczcie kurz, ale spędził wiele lat na balkonie, a do tego doszły przeprowadzka i remont mieszkania.


Na dziś to wszystko. Jak zawsze czekam na pytania i propozycje tematów nowych filmów i recenzji.

Znowu prawie zapomniałem — oto film. Nagrywałem pierwszy raz w takim formacie. Jeśli warto robić tak dalej, dajcie znać.