Budowa impulsowych zasilaczy, APFC

Jakiś czas temu zadano mi pytanie o korektor współczynnika mocy w zasilaczach impulsowych. Spróbuję krótko wyjaśnić, co to jest i do czego służy.

W typowych sytuacjach najpewniej spotkacie korektor współczynnika mocy (PFC) w zasilaczu komputerowym.
Oczywiście występuje on także w innych zasilaczach, nawet częściej niż w komputerowych. Zwykle są to jednak zasilacze przemysłowe, które w domu trafiają się bardzo rzadko.
Myślę, że większość czytelników mojego bloga i widzów mojego kanału przynajmniej trochę zna się na elektronice, więc najpewniej widziała zasilacz komputerowy „od środka”.
Zasilacz z aktywnym korektorem na pierwszy rzut oka wygląda niemal tak samo jak zwykły.


Jeśli jednak przyjrzeć się uważniej, po stronie „gorącej” można zauważyć duży dławik. Jego rdzeń może mieć różny kształt, ale najczęściej spotyka się rdzenie toroidalne, jak w przypadku pokazanym na zdjęciu.
Takie zasilacze różnią się też tym, że zwykle mają jeden kondensator filtrujący na 450–500 V, a nie dwa na 200–250 V. Wynika to z tego, że często obsługują szeroki zakres napięcia wejściowego, od 100–115 V, i nie wymagają przełączania napięcia wejściowego.


Nie należy mylić dławika AKKM (aktywnego korektora współczynnika mocy) z dławikiem wyjściowym stabilizacji grupowej, choć z zewnątrz są do siebie bardzo podobne. Różnica polega na tym, że dławik korektora ma zwykle tylko jedno uzwojenie, a DGS (dławik stabilizacji grupowej) — kilka.


Korektor może być nie tylko aktywny, ale też pasywny. W takim przypadku na górnej pokrywie zasilacza zobaczycie „żelazny” dławik z parą przewodów, z wyglądu przypominający transformator 50 Hz o mocy 10–20 W.
Takie rozwiązanie też się sprawdza, ale nie zastąpi pełnoprawnego aktywnego korektora.

Teraz kilka słów o tym, po co to wszystko. Jak zapewne wiecie, prąd w sieci ma przebieg sinusoidalny, a napięcie skuteczne wynosi 220–230 V (u nas), zaś amplitudowe — 310–320 V. Nie będę teraz wyjaśniać różnicy między napięciem skutecznym a amplitudowym, zrobię to innym razem. Jeśli jednak ktoś jeszcze nie widział, sinusoida wygląda tak, jak na tym rysunku.


Następnie prąd przemienny jest prostowany i filtrowany przez kondensatory. Najczęściej stosuje się układ taki jak ten, składający się z mostka prostowniczego i pary kondensatorów (czasem jednego).
Oczywiście jest tam jeszcze filtr wejściowy i bezpiecznik, ale w tym przypadku nie mają one znaczenia.


Przy prawidłowym napięciu sieciowym napięcie na kondensatorach wyniesie około 280–320 V, zależnie od ich pojemności i mocy obciążenia. Opowiadałem już o tym w swoim filmie poświęconym budowie zasilaczy.
Ponieważ jednak napięcie w sieci zmienia się 100 razy na sekundę od zera do 320 V i z powrotem do zera, a w obwodzie znajduje się mostek prostowniczy, prąd ładowania kondensatorów filtra płynie nie cały czas, lecz tylko wtedy, gdy napięcie amplitudowe przekroczy napięcie na kondensatorach.
W takim przypadku prąd w obwodzie 220–230 V będzie wyglądał tak, jak pokazano u góry tego rysunku. Zasilacz pobiera więc energię nieprzerwanie, lecz tylko w szczytach sinusoidy. Załóżmy, że zasilacz pobiera energię łącznie tylko przez 20% czasu. Wtedy prąd płynący podczas ładowania kondensatorów będzie 5 razy większy od średniego prądu pobieranego przez zasilacz. Na przykład prąd wynosi 1 A, moc 220 W, a więc szczyty prądu sięgają 5 A.


Problem ujawnił się „w całej okazałości”, gdy liczba zasilaczy impulsowych przekroczyła pewną „masę krytyczną”. Wymyślono więc dość proste i skuteczne rozwiązanie. Nawiasem mówiąc, w krajach rozwiniętych wszystkie zasilacze o dużej mocy muszą mieć korektor współczynnika mocy. Ponieważ jednak nie jest to tanie, producenci niedrogich zasilaczy oszczędzają właśnie na tym w pierwszej kolejności.

Jak już wspomniałem, rozwiązanie problemu jest proste i właściwie samo się nasuwa. Jego podstawą jest zwykła przetwornica podwyższająca napięcie. Na schemacie widać dławik, tranzystor, diodę, sterownik PWM i kondensator.
Gdy tranzystor się otwiera, w dławiku gromadzi się energia, która po jego zamknięciu sumuje się z napięciem wejściowym i trafia do obciążenia, doładowując kondensator wyjściowy. Taki układ często stosuje się w powerbankach, aby uzyskać 5 V z 3,7 V.


Jeśli jednak połączymy zwykły zasilacz z tym układem, otrzymamy aktywny korektor współczynnika mocy.
Ważne jest przy tym, że za mostkiem prostowniczym nie umieszcza się kondensatora filtrującego. Jego rolę pełni kondensator o niewielkiej pojemności, zwykle 0,47–1,0 µF. Służy on jedynie do kompensacji impulsowego charakteru poboru prądu przez korektor.

W efekcie przetwornica próbuje „wyssać” z sieci wszystko, co się da, już nie w zakresie 220–230 V, lecz 40–80 V. Nawiasem mówiąc, zasilacze o dużej mocy nie zawsze mogą pracować w szerokim zakresie napięć, choć mogą mieć wbudowany AKKM. Po prostu w takich trybach korektor jest mocno obciążony i nie zapewnia pracy w szerokim zakresie, choć nadal działa prawidłowo.


Tutaj spróbowałem w przystępny sposób pokazać różnicę w działaniu zwykłego zasilacza i zasilacza z korektorem.
Na czerwono zaznaczyłem pracę zwykłego zasilacza, a zakreskowany obszar pokazuje strefę poboru prądu. Widać, że jest ona dość wąska, więc prąd będzie duży. Im większa pojemność kondensatorów filtra, tym węższa będzie ta strefa i tym niższy będzie współczynnik mocy.
Na niebiesko i zielono pokazałem dwa warianty pracy aktywnego korektora: jeden zaczyna działać przy amplitudzie około 100 V, drugi — około 50 V. Widać, że strefa się poszerzyła, więc prąd proporcjonalnie maleje, a współczynnik mocy rośnie.
W zasadzie strefa ta może zaczynać się niemal od zera — wtedy współczynnik wyniesie 1, ale zwykle mieści się w zakresie 0,98–1, co w zupełności wystarcza.

Jakie są skutki tego osławionego współczynnika mocy?
Piki prądu powodują krótkotrwałe przeciążenie sieci, co może prowadzić do problemów w starych i zużytych instalacjach. W sieciach trójfazowych może dojść do przepalenia przewodu neutralnego, z bardzo przykrymi konsekwencjami.


A oto schemat części wejściowej zasilacza komputerowego z aktywnym korektorem współczynnika mocy, zaznaczonym na niebiesko.
Nie dziwcie się, że na schemacie nie ma sterującego nim kontrolera PWM. Często znajduje się on na osobnej płytce, a czasem jest zintegrowany z głównym kontrolerem PWM. Oznacza to, że oprócz jednego lub dwóch standardowych kanałów ma on także wyjście do sterowania tranzystorem korektora. Takie rozwiązanie jest wygodne dla producenta, ale nie zawsze dla serwisanta. Na samym początku pokazałem zdjęcie zasilacza, w którym właśnie uszkodził się układ korektora. Ponieważ układ scalony steruje wszystkim, on również się spalił. Nie udało mi się znaleźć zamiennika, więc zasilacz leży bezużyteczny i być może zostanie rozebrany na części, zwłaszcza że są całkiem dobrej jakości.


Co daje nam korektor? Najpierw zalety:
1. Charakter poboru prądu jest niemal taki sam jak w przypadku obciążenia aktywnego, więc nie ma pików powodujących przeciążenia.
2. Takie zasilacze często mają szerszy zakres napięcia wejściowego i lepiej działają w kiepskich sieciach elektrycznych.
3. Wymagana pojemność kondensatora filtrującego jest mniejsza, ponieważ przerwy w poborze prądu są krótsze.
4. Przetwornica zasilacza pracuje łatwiej, bo w praktyce jest zasilana stabilizowanym napięciem.

A teraz wady.
1. Wyższa cena.
2. Mniejsza niezawodność.
3. Mogą wystąpić problemy ze współpracą z niektórymi modelami UPS-ów.

Czasem toczą się dyskusje na temat sprawności takich zasilaczy. Uważam, że jest taka sama, bo choć korektor pobiera własny prąd, główna przetwornica ma łatwiejsze zadanie, więc w sumie wychodzi na to samo.

No i oczywiście film jako uzupełnienie. Jak zawsze czekam na wasze pytania — zarówno w komentarzach tutaj, jak i pod filmem.