Z czego składa się zasilacz impulsowy — część 3

Czym właściwie jest inwerter.
Ten układ służy do przekształcania prądu stałego w przemienny. W tym przypadku na wejściu mamy 310 V prądu stałego, które trzeba podać na transformator. Ponieważ jednak transformatory nie chcą pracować przy prądzie stałym, potrzebny jest inwerter.


Inwerter składa się z dwóch głównych bloków.
Sterownika PWM.


Oraz wysokonapięciowych tranzystorów wyjściowych. Przy okazji w kadrze znalazł się też transformator sterujący tymi tranzystorami.


Inwerter może jednak wyglądać znacznie prościej, na przykład w znanym zasilaczu.


Układ scalony, garść elementów i cały sterownik PWM gotowy.


W tym przypadku topologia zasilacza, a także jego moc, wyraźnie różnią się od poprzedniego wariantu, dlatego jest tylko jeden tranzystor.


Jeszcze jeden wariant: po lewej kondensatory filtra wejściowego, po prawej transformator, a między nimi inwerter.
Ponieważ na tranzystorze mocy wydziela się znaczna moc, najczęściej montuje się go na radiatorze.


Ale na chwilę odejdźmy od tematu i cofnijmy się do historii, do samych początków. Być może wszystko zaczęło się jeszcze wcześniej, więc dokładniej mówiąc: od czego zaczynałem ja.
Jak się domyślacie, dawniej nie było sterowników PWM, a czasem problemem było nawet kupienie zwykłego „kręnka”. Postęp jednak nie stał w miejscu i radioamatorzy próbowali zastępować duże transformatory zasilaczami impulsowymi.
Na schemacie pokazano typowy generator samowzbudny, ale były też układy z prostą logiką pełniącą funkcję generatora impulsów.


Schematy podobnych zasilaczy często pojawiały się wtedy w czasopiśmie Radio, w kontekście wzmacniaczy mocy. Ja jednak poznałem taki układ na przykładzie zasilacza do Sinclera. Swoją drogą, na zdjęciu jest jeden z nich, który zostawiłem sobie na pamiątkę :)
Niestety, w przypadku powyższego układu trzeba było dobierać tranzystory, a mój egzemplarz mocno się przegrzewał.


Układ z generatorem samowzbudnym uchodzi za najprostszy. W tym przykładzie nie ma nawet stabilizacji napięcia wyjściowego.


Mimo całej współczesnej różnorodności układów scalonych, pokazany wyżej schemat znalazł zastosowanie także dziś — jako „transformator elektroniczny” do lamp halogenowych.


Co prawda takie lampy są stopniowo zastępowane diodami LED, ale transformatory elektroniczne nadal są dość popularne, głównie ze względu na prostotę i niską cenę.


Po dość długim czasie podobne układy dostały drugie życie. Znana firma International Rectifier wypuściła bardzo prosty układ scalony do statecznika elektronicznego lamp fluorescencyjnych. Okazało się jednak, że układ ten świetnie sprawdza się jako sterownik zasilacza impulsowego. Należą do nich układy IR2151, IR2153 i podobne.
Niektórzy radioamatorzy budowali na bazie tego układu także zasilacze stabilizowane, ale nie zawsze działało to poprawnie.


W zasadzie do tego układu scalonego potrzeba tylko kilku drobnych elementów i pary tranzystorów MOSFET — i to cały układ inwertera. Właśnie z użyciem tego układu zbudowałem pierwotny zasilacz do mojego zasilacza laboratoryjnego.
Swoją drogą, właśnie ten układ polecam do zasilania wzmacniaczy mocy — jest mało wymagający i dość niezawodny. Chcę też dodać, że nieregulowane zasilacze lepiej wypadają pod względem zakłóceń.


Tak wygląda trzykanałowy zasilacz o mocy 300 W z regulacją obrotów wentylatora za pomocą PWM. Więcej informacji można znaleźć w recenzji zasilacza laboratoryjnego.


Dość często można też spotkać zasilacze jednotaktowe oparte na generatorze samowzbudnym. Szczególnie często trafiały się w zasilaczach ATX jako układ czuwania.


Można je też znaleźć w bardzo tanich ładowarkach do telefonów. Generator samowzbudny to najprostszy rodzaj inwertera.


Zdarzają się jednak wyjątki. Na przykład zasilacz do dość drogiego, markowego klimatyzatora również zawierał generator samowzbudny. Był jednak wykonany całkiem porządnie i miał stabilizację napięcia.


Kolejnym razem natknąłem się na zasilacze impulsowe w nowych wówczas telewizorach. Po dużych i ciężkich transformatorach był to postęp.


Układ był, co prawda, koszmarny, naprawialność słaba, a gabarytów też nie nazwałbym małymi. Na zdjęciu zasilacz o mocy 80 W.
Początkowo również budowano je według układu z generatorem samowzbudnym, ale później zaczęto stosować układ scalony. Niewiele to jednak zmieniło.


I tak doszliśmy do nowocześniejszych przetwornic, bo na tym etapie zasilacze osiągnęły poziom układowy, jaki obserwujemy dziś w nowoczesnych zasilaczach.
Owszem, zwiększano częstotliwość, poszerzano zakres pracy i podnoszono moc, ale sama zasada pozostała taka jak 30 lat temu. Ponieważ jednak ówczesne scalone kontrolery PWM były słabo rozwinięte, budowano je w postaci modułów hybrydowych.


Zresztą także we współczesnych zasilaczach bez skrępowania stosuje się takie ujednolicone moduły. Pod pewnymi względami jest to nawet wygodne.


Typowy schemat blokowy popularnych modeli przetwornic składa się z pięciu bloków.
1. Blok kontroli napięcia zasilającego i zabezpieczenie przed pracą przy zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciu.
2. Zasilanie pomocnicze lub układ rozruchowy.
3. Element mocy i czujnik prądu. Ten blok może się znacznie różnić w zależności od topologii zasilacza.
4. Właściwy kontroler PWM, czyli mózg zasilacza.
5. Blok głównego zasilania kontrolera PWM.


Przyjrzyjmy się, jak uruchamia się większość zasilaczy. Ta wiedza może pomóc w szukaniu usterek.
Po podaniu wysokiego napięcia trafia ono przez rezystor do obwodu zasilania kontrolera PWM.


Gdy napięcie osiągnie próg włączenia, kontroler PWM uruchamia się i jest w tym czasie zasilany z kondensatora w obwodzie zasilania.
Jeśli zasilacz nie daje oznak życia, sprawdź, czy na wejściu kontrolera PWM jest napięcie zasilające. Czasami te rezystory ulegają przerwaniu.


Następnie kontroler PWM sprawdza, czy napięcie zasilające jest prawidłowe. Nie każda przetwornica ma taki obwód, więc jeśli go brakuje, można od razu przejść do następnego kroku.


Jeśli zasilanie jest prawidłowe, kontroler zaczyna podawać impulsy sterujące na tranzystor mocy. Jednocześnie kontroluje prąd w obwodzie tego tranzystora i jeśli zostanie przekroczony, kontroler PWM przechodzi w tryb zabezpieczenia.


Jeśli wszystko działa prawidłowo, już po kilku cyklach na wyjściu obwodu głównego zasilania pojawia się napięcie robocze, które zasila kontroler. To zresztą jeden z punktów, w których może wystąpić awaria: jeśli nie ma zasilania, zasilacz będzie pracował w trybie start-stop.


Jeśli wszystkie etapy rozruchu przebiegły prawidłowo, do pracy przystępuje stabilizacja PWM. Zawsze porównuję ją do beczki, do której dolewamy wodę porcjami, a jednocześnie spuszczamy ją przez drugi kran z różnym natężeniem. Zadaniem kontrolera jest utrzymywanie stałego poziomu wody w beczce, mimo że kran doprowadzający może być tylko w jednym z dwóch stanów: otwarty albo zamknięty.
Przy okazji: wiele osób widziało na wyjściu zasilacza rezystor podłączony równolegle do zasilania. Ma on zapewnić minimalne obciążenie, ponieważ zasilaczowi trudno pracować przy bardzo małym wypełnieniu impulsów.

Dla przykładu: szerokość impulsów przy niewielkim obciążeniu.


Jeśli zwiększymy obciążenie, kontroler PWM zwiększy ilość energii przekazywanej do transformatora, a za jego pośrednictwem do obciążenia.


Nawet jeśli na przykład obciążymy zasilacz do pełna, szerokość impulsów nie osiągnie maksimum.


Ten zapas jest potrzebny do kompensacji spadku napięcia wejściowego.


Jeśli jeszcze bardziej obniżymy napięcie wejściowe, kontroler PWM po prostu ustawi maksymalną szerokość impulsu. Kontrolery PWM w zasilaczach nie generują wypełnienia 100%, ponieważ zawsze potrzebny jest „martwy” czas chroniący tranzystory wyjściowe. W tym czasie tranzystory wyjściowe są wyłączone.
W jednoprzełącznikowych zasilaczach flyback, stosowanych właśnie w zasilaczach o niewielkiej mocy, maksymalne wypełnienie wynosi 50%.


Pierwszym kontrolerem PWM, z którym się zetknąłem, był legendarny TL494. Układ scalony jest bardzo stary, ale tak się złożyło, że projektant ma do dyspozycji tani i bardzo uniwersalny kontroler. Nawet po wielu latach i mimo dostępności nowoczesnych rozwiązań jest on nadal szeroko stosowany w zasilaczach.
Jest produkowany przez wiele firm, czasem pod różnymi nazwami. Na przykład odpowiednik Samsunga nosi nazwę KA7500.


Na pierwszy rzut oka jego budowa wewnętrzna może wydawać się dość skomplikowana, ale w rzeczywistości taka nie jest.


Po pewnym uproszczeniu schemat będzie wyglądał mniej więcej tak:
1 i 2. Stabilizator zasilania i źródło napięcia odniesienia.
3. Generator impulsów, który ustala częstotliwość pracy kontrolera.
4. Dwa komparatory: jeden zwykle służy do stabilizacji prądu, a drugi napięcia.
5. Układ ustalający czas martwy, czyli minimalną przerwę między stanami przewodzenia wyjść.
6. Układ sumujący wszystkie sygnały.
7. Przerzutnik sterujący kluczami wyjściowymi i ustalający tryb pracy: przeciwsobny lub jednokierunkowy. W niektórych odpowiednikach przerzutnik ten szwankował przy częstotliwościach poniżej 100 Hz, sprawiając niemało niespodzianek konstruktorom przetwornic podwyższających do 220 V.


Układ scalony jest wykonany w obudowie z 16 wyprowadzeniami. Sam w sobie jest niezawodny, ale czasem w zasilaczach ATX, gdzie jest zasilany z obwodu napięcia czuwania, ulega uszkodzeniu, gdy ten zaczyna wariować po wyschnięciu kondensatora na wyjściu 5 V. Przebiciu ulega stabilizator napięcia odniesienia i na wyjściu zasilacza może pojawić się bardzo wysokie napięcie. Dlatego podczas sprawdzania w pierwszej kolejności należy skontrolować, czy na wyprowadzeniu 14 jest 5 V.


W zasilaczach AT, a później w popularnych chińskich zasilaczach w obudowie, układ jest zasilany z własnego transformatora mocy. Rozruch zapewniają rezystory w obwodach baz kluczy mocy. Po włączeniu klucze najpierw pracują w trybie samowzbudnym, na wyjściu transformatora pojawia się niewielkie napięcie, układ scalony zaczyna działać i przejmuje sterowanie. Dlatego jeśli zasilacz nie startuje, w pierwszej kolejności sprawdzamy rezystory zaznaczone na schemacie.


Drugim, równie legendarnym kontrolerem PWM jest rodzina jednokierunkowych układów UC384x.
Myślę, że mogliście już spotkać je w zasilaczach i przetwornicach napięcia.


Budowa wewnętrzna jest bardzo podobna do TL494, ale nieco się różni. Po pierwsze, układ ma tylko jedno wyjście, a nie dwa.
Ponadto komparatory są odniesione do określonego napięcia ustalonego wewnątrz układu, a nie uniwersalne.
No i oczywiście najważniejsza cecha: rozruch przy bardzo małym prądzie. Dopóki układ nie zacznie pracować, pobiera bardzo niewielki prąd, dlatego można go uruchomić bezpośrednio z napięcia wejściowego przez rezystor. TL494 tego nie potrafi.
Aby rozruch przebiegał prawidłowo, układ ma obwód progowy określający napięcia jego włączania i wyłączania. Występują dwa warianty: około 9 i 15 V.
Ponadto układ może mieć współczynnik wypełnienia 50 lub 100%: pierwszy wariant stosuje się w zasilaczach, drugi w przetwornicach napięcia.
Daje to cztery warianty tego kontrolera.


Układ jest produkowany w różnych obudowach, ale najpopularniejsza ma osiem wyprowadzeń.


Typowy schemat zasilacza z tym układem wygląda mniej więcej tak.


Na rynku jest dziś wiele zasilaczy z innymi układami scalonymi, ale jeśli przyjrzeć się ich schematom, widać wiele podobieństw: te same bloki i elementy. Jeśli są jakieś różnice, to minimalne.


Przetwornice w zasilaczach mogą mieć różną topologię. Na pewno opowiem o tym osobno, ale większość jest zbudowana w topologii flyback lub półmostkowej — to dwa górne schematy na rysunku. Właśnie tak działają wszystkie opisane dziś zasilacze.


Wróćmy jednak do kontrolerów PWM. Wcześniej opisywałem rozwiązania, w których kontroler PWM i stopień mocy są osobnymi układami. Popularność zdobyły jednak także kontrolery w pełni zintegrowane, na przykład układy z serii TOP firmy Power Integrations, w których praktycznie wszystko mieści się w jednej obudowie.
Niedawno trafiła mi się nawet podróbka. Co ciekawe, jest po lewej stronie i ma laserowe oznaczenie, a po prawej widać oryginał.


Zdobyły popularność dzięki bardzo prostej konstrukcji: w najprostszym wariancie zasilacz składa się dosłownie z kilku elementów.


Później pojawiły się bardziej zaawansowane kontrolery, w których można ustawić napięcia włączania i wyłączania, a także ograniczenie mocy wyjściowej. Ale w razie potrzeby można przełączyć je w tryb trójwyprowadzeniowy, łącząc wyprowadzenia tak jak na wcześniejszym zdjęciu.
W każdym razie te kontrolery są znacznie inteligentniejsze i mają rozbudowane zabezpieczenia przed różnymi problemami. Na przykład wytrzymywały napięcie wejściowe przekraczające 300 V, po prostu blokując swoją pracę.


Sekretem ich popularności był jednak również wygodny program do obliczeń, udostępniany przez producenta. Pozwalał obliczyć wszystko, aż po rozmieszczenie uzwojeń transformatora. A gdy wykrył problemy w obliczeniach, podpowiadał, jak je rozwiązać.


Producent udostępniał przykładowe zastosowania swoich układów scalonych. Był nawet wariant zasilacza komputerowego, ale jakoś się nie przyjął.


Za to w niewielkich zasilaczach, na przykład do monitorów, spotyka się je bardzo często.


Poza tym sam bardzo intensywnie z nich korzystam już chyba od 15 lat.



Chińscy producenci również nie zostają w tyle i wypuszczają własne wersje podobnych układów scalonych.


Z powodzeniem stosują je w niewielkich zasilaczach


Przy okazji: w razie potrzeby można używać kontrolerów PWM także bez sprzężenia zwrotnego z napięcia wyjściowego, wykorzystując uzwojenie zasilające sam kontroler. Układ jest prostszy, ale stabilność będzie oczywiście nieco gorsza niż przy prawidłowym sprzężeniu zwrotnym.



To już wszystko w ogólnym zarysie. Czasami mam wrażenie, że im więcej opowiadam, tym więcej zostaje poza kadrem — o czym chciałbym jeszcze powiedzieć dokładniej, ale nie starcza czasu. Dlatego najpewniej pojawią się kolejne odcinki poświęcone poszczególnym układom i zasadom działania.
Film wyszedł zdecydowanie za długi, sam się tego nie spodziewałem, a przecież prawie nic nie powiedziałem jeszcze o tranzystorach kluczujących i część materiału nawet wyciąłem. Chyba za dużo gadam :(


Kilka linków do przydatnych recenzji wspomnianych w filmie.
Niezły moduł DC-DC ZXY6005S, czyli laboratoryjny zasilacz DIY
Zasilacz 12 V, 6–8 A, który mile zaskoczył
Zasilacz 12 V, 5 A, czyli jak mogło to być zrobione
Przetwornica DC-DC — tak też czasem bywa
S-180-12 180W 12V / 15A — zasilacz w nietypowej obudowie
36 V, 10 A, 360 W, czyli dalej poznajemy budowę zasilaczy + mały bonus
48 V, 5 A i 240 W, czyli zasilacz, który potrafił zaskoczyć
Zasilacze małe i bardzo małe