Zasilacze napięcia stałego

Budowa zasilacza
Znaczna część urządzeń wymaga zasilania napięciem (prądem) stałym. Używa się wtedy zasilaczy napięcia (prądu) stałego. Zasilacz składa się zazwyczaj z transformatora sieciowego, układu prostowniczego oraz filtru (w zależności od wymaganego współczynnika tętnień napięcia wyjściowego).
 

Schemat funkcjonalny zasilacza napięcia (prądu) stałego

Transformator w układzie zasilacza napięcia (prądu) stałego oddziela galwanicznie zasilane urządzenia od sieci oraz zasila układ prostowniczy napięciem o odpowiednich wartościach. Te transformatory różnią się od zwykłych transformatorów większą mocą gabarytową oraz prądem pobieranym z sieci. Przy tej samej mocy oddawanej do obciążenia mają one większe wymiary i pobierają prąd o większym natężeniu.

Układ prostownikowy przetwarza napięcie (prąd) przemienne na wyprostowane napięcie (prąd) pulsujące o składowej stałej różnej od zera. Wykorzystuje się w nim elementy półprzewodnikowe (diody lub tyrystory), charakteryzujące się jednokierunkowym przewodzeniem prądu.
Układ prostowniczy charakteryzuje się liczbą pulsów. Określa ona ilość nie wygładzonych pulsów w przebiegu napięcia wyprostowanego przypadających na jeden okres przemiennego napięcia zasilającego.
Stąd podział prostowników na : 1; 2; 3; 6; 12; 24; pulsowe.

Filtr ma za zadanie ograniczyć tętnienia aby w odbiorniku uzyskać odpowiednią wartość napięcia i prądu stałego. W zasilaczach stabilizowanych, między filtrem a odbiornikiem, może znajdować się dodatkowo stabilizator napięcia lub prądu stałego.

Układy prostownikowe, w zależności od struktury i liczby faz zasilającego napięcia przemiennego, dzieli się na:

• jedno
• wielofazowe.

Jeżeli napięcie podlega prostowaniu w czasie jednego półokresu każdej z faz, to prostownik jest nazywany półfalowym lub jednokierunkowym. Jeżeli natomiast napięcie prostowane jest w czasie obu półokresów, to prostownik jest nazywany całofalowym, dwukierunkowym lub mostkowym. Dodatkowy podział układów prostowniczych występuje ze względu na elementy z jakich został on wykonany:

• prostowniki niesterowane (diodowe)
• prostowniki sterowane (tyrystorowe lub tranzystorowe)
• prostowniki niejednorodne (zawierające zarówno diody jak i tyrystory lub tranzystory)

Najważniejsze wielkości charakteryzujące prostownik to:

• napięcie zasilania U₂
• składowe stałe napięcia wyjściowego U_os i prądu wyjściowego I_os
• wartość skuteczna napięcia wyjściowego U_o
• dopuszczalny prąd wyjściowy I_{os max}
• sprawność energetyczna η_p, obliczona jako stosunek mocy prądu stałego na wyjściu do mocy pozornej prądu zmiennego na wejściu prostownika
   

• współczynnik tętnień k_t, zdefiniowany jako stosunek amplitudy składowej podstawowej tętnień na wyjściu Uo1m i składowej stałej U_os

• maksymalna wartość napięcia wstecznego U_Rm, które występuje na elemencie prostowniczym

Wielkości charakteryzujące prostowniki najłatwiej przedstawić za pomocą schematu oraz przebiegów napięć i prądów dla prostownika jednofazowego półfalowego z obciążeniem rezystancyjnym:

a)	b)
Prostownik jednofazowy z obciążeniem rezystancyjnym: a) schemat; b) przebiegi napięć i prądu w układzie

Prostownik półfalowy z obciążeniem rezystancyjnym ma bardzo małą sprawność (mniejszą niż 29%) oraz duże tętnienia. Oznacza to, że 71% energii pobieranej ze źródła jest tracona. Słabo jest wykorzystywany wówczas transformator sieciowy, przez który przepływa również składowa stała Ios prądu (powoduje ona podmagnesowanie rdzenia transformatora). Skutkuje to koniecznością użycia transformatora o większych wymiarach, niż wynika to z mocy wydzielanej w obciążeniu. W praktyce układ jednopołówkowy stosuje się rzadko, na ogół przy małych mocach.
Częściej stosuje się układy prostownicze dwupołówkowe, które mają lepsze właściwości. Ogólną zasadę działania prostowników dwupołówkowych przedstawia poniższy rysunek:

a)	b)
Schemat prostownika dwupołówkowego z obciążeniem rezystancyjnym oraz przebiegi napięć i prądów: a) z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora; b) w układzie mostkowym Graetza

W obu układach prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku i ma charakter pulsujący. Obydwa układy mają większość parametrów identycznych. Jednakże w układzie mostkowym napięcie wsteczne na każdej diodzie jest dwukrotnie mniejsze, co umożliwia zastosowanie diod o mniejszym dopuszczalnym napięciu wstecznym. Mostek zapewnia też lepsze wykorzystanie mocy transformatora. Wadą jego jest konieczność użycia czterech diod.
Podsumowanie podstawowych parametrów jednofazowych układów prostowniczych z obciążeniem rezystancyjnym przedstawiono w tabeli:

UKŁAD	PÓŁFALOWY	CAŁOFALOWY Z WYPROWADZONYM ŚRODKIEM	CAŁOFALOWY MOSTKOWY
składowa stała napięcia Uos
wartość skuteczna napięcia na obciążeniu Uo
sprawność energetyczna ηp
współczynnik tętnień kt
maksymalna wartość napięcia na diodzie URm

Zasilacz ELHAND typu EZ1-0,25 kVA; 400V±5%AC// 24V-7,5ADC

Przy dużych prądach obciążenia korzysta się zazwyczaj z trójfazowych źródeł zasilających. Stosuje się wtedy układy prostownikowe wielofazowe. Wyróżnia się dwa podstawowe ich rodzaje:

• układy prostownikowe jednokierunkowe
• układy prostownikowe dwukierunkowe (mostkowe)

W pierwszym przypadku układ prostowniczy, zasilany z transformatora m-fazowego, zawiera w każdej fazie jedną diodę. Diod tych jest więc razem (m). Wszystkie są skierowane zgodnie i ich katody są zwarte i połączone z zaciskiem odbiornika. Każda z faz przewodzi kolejno przez 1/m okresu, wówczas gdy napięcie ma wartość większą niż napięcia pozostałych faz. Wskutek tego prąd w obciążeniu płynie ciągle i ma charakter tętniący.
W wielofazowych układach jednokierunkowych składową stałą napięcia na obciążeniu możemy wyznaczyć z wzoru:

gdzie:

• U_OS – wartość składowej stałej napięcia
• U_f – wartość skuteczna napięcia fazowego (uzwojenia wtórnego)
• U_fm = √2 U_f – wartość maksymalna napięcia fazowego
• m – liczba faz (m≥0)

Składowa stała wzrasta w miarę zwiększania liczby faz. Zależność stosunku U_OS/U_fm od liczby faz układu prostowniczego jednokierunkowego przedstawia poniższa tabelka:

Wartość maksymalna i skuteczna prądu fazowego wynoszą odpowiednio:

     ,   

Sprawność mocowa:

Współczynnik tętnień wyraża się zależnością:

Poniżej przedstawiono kilka przykładowych schematów prostowników jednokierunkowych, z których każdy charakteryzuje się innymi parametrami wyjściowymi. Przy doborze odpowiedniego układu należy zwracać uwagę zarówno na powyższe parametry wyjściowe jak i względy ekonomiczne (koszt prostownika i transformatora zasilającego) a następnie wybrać najbardziej optymalne rozwiązanie.

Rys.1. Schemat prostownika jednokierunkowego trójpulsowego.

Rys.2. Schemat prostownika jednokierunkowego sześciopulsowego.
 

Rys.3. Schemat prostownika jednokierunkowego sześciopulsowego, złożonego z dwóch równolegle połączonych poprzez dławik wyrównawczy prostowników trójpulsowych.
 

W układach jednokierunkowych prądy w uzwojeniach wtórnych transformatora, połączonych z przekształtnikiem, płyną tylko przez część okresu. Stąd też moce typowe transformatorów znacznie przekraczają wartość mocy obwodu prądu stałego. Dodatkowo w układach jednokierunkowych, z uwagi na składową stałą prądu uzwojeń wtórnych, występuje niekorzystne zjawisko podmagnesowania rdzenia, zmniejszające sprawność przekształtnika i całego układu. Najkorzystniej pod względem wykorzystania transformatora prezentuje się układ sześciopulsowy z dławikiem wyrównawczym.

W drugim rodzaju wielofazowych układów prostowniczych, tzn. w układach dwukierunkowych (mostkowych), każda faza jest połączona z dwiema diodami: jedną z pierwszej grupy (D1, D2, D3) i jedną z drugiej grupy (D4, D5, D6). Prąd obciążenia, włączonego między połączone anody i katody obu grup diod, płynie zawsze przez dwie diody i dwie fazy uzwojenia wtórnego transformatora. Przebieg napięcia na obciążeniu wynika z chwilowych wartości napięć międzyfazowych. Prąd każdej fazy składa się natomiast z dwóch impulsów o czasie trwania 1/m okresu. Kierunek ich przepływu jest przeciwny, a więc prąd fazowy nie zawiera składowej stałej i nie powoduje podmagnesowania rdzenia. Dzięki temu uzyskuje się lepsze wykorzystanie transformatora i większą sprawność energetyczną prostownika η_p. Poniżej przedstawiono najczęściej stosowane dwukierunkowe układy prostownicze:

Rys.4. Schemat prostownika dwukierunkowego sześciopulsowego w układzie mostkowym.

Rys.5. Schemat prostownika dwunastopulsowego, złożonego z dwóch szeregowo połączonych prostowników sześciopulsowych mostkowych.

Rys.6. Schemat prostownika dwunastopulsowego, złożonego z dwóch równolegle połączonych poprzez dławik wyrównawczy prostowników sześciopulsowych mostkowych.

Układy mostkowe sześciopulsowe należą do najczęściej stosowanych układów przekształtnikowych głównie ze względu na najbardziej ekonomiczny bilans kosztów układu i jego parametrów wyjściowych. W układzie tym moce pozorne uzwojeń wtórnych i pierwotnych transformatora przekształtnikowego są sobie równe i przyjmują najmniejszą wartość z możliwych dla układów sześciopulsowych.
W celu uzyskania wysokich napięć wyjściowych stosuje się układy złożone z przekształtników połączonych szeregowo (Rys.5). Natomiast do zasilania odbiorników charakteryzujących się poborem dużych prądów buduje się układy złożone z równolegle połączonych przekształtników mostkowych (Rys.6).

Zasilacz ELHAND typu EZ3-50 kVA; 400V±2x2,5%AC// 110V-427ADC; IP24.

Filtracja - poprawa parametrów wyjściowych układów prostownikowych
W celu poprawy właściwości układów prostownikowych stosuje się w nich elementy reaktancyjne L, C. Spełniają one dwa podstawowe zadania: zmniejszają tętnienia oraz magazynują energię wówczas, gdy zmienne napięcie prostowane ma dużą wartość, aby zwrócić ją do obciążenia w czasie, gdy napięcie to maleje.
Elementy te można łączyć w dwojaki sposób:

• pojemnościowe – równolegle do obciążenia,
• indukcyjne – szeregowo z obciążeniem.

Rozwiązania takie stosuje się przede wszystkim w układach prostownikowych, gdzie współczynnik tłumienia jest niekorzystny.

a)	b)
Układy prostownicze jednofazowe z obciążeniem rezystancyjno – pojemnościowym. Schematy oraz przebiegi napięć i prądów: a) prostownik półfalowy; b) prostownik całofalowy

Układy prostownikowe z obciążeniem rezystancyjno-pojemnościowym mają lepszą sprawność i mniejsze tętnienia niż układy z obciążeniem rezystancyjnym. Układy te uzyskują najlepsze właściwości przy dużych wartościach rezystancji obciążenia RO. Dlatego znalazły one zastosowanie w zakresie niezbyt dużych mocy najczęściej w układach jednofazowych, rzadko – w układach trójfazowych.

Prostownik całofalowy z obciążeniem rezystancyjno – indukcyjnym.

Układy z obciążeniem rezystancyjno-indukcyjnym to przede wszystkim układy całofalowe, ponieważ w układach jednofazowych półfalowych trudno uzyskać ciągły przepływ prądu przez obciążenie.
Składowa stała napięcia wyjściowego nie zależy od indukcyjności.
Ze wzrostem indukcyjności maleje natomiast współczynnik tętnień, czyli zmniejsza się udział składowych zmiennych w napięciu wyjściowym:

Gdy stosunek ωL/R₀ wzrasta, to przebieg napięcia wyjściowego zbliża się do idealnego. Właściwości filtracyjne prostownika z obciążeniem rezystancyjno-indukcyjnym poprawiają się również ze wzrostem obciążenia (I_OS wzrasta, R_O maleje). Dlatego też układy te stosuje się przy dużych prądach obciążenia, głównie w wersji trójfazowej lub sześciofazowej.