Zasilacz impulsowy - zasilacz, którego zasadniczym elementem jest impulsowa przetwornica napięcia. W przeciwieństwie do zasilacza z transformatorem sieciowym pracującego z częstotliwością sieci zasilającej (czyli 50Hz), transformator w zasilaczu impulsowym pracuje z częstotliwością od kilku kHz do 1MHz, co sprawia że jest znacznie mniejszy niż pracujący z częstotliwością sieciową.

Stabilizowane zasilacze impulsowe można podzielić na zasilacze (układ z jednym kluczem):

Przeciwbieżny konwerter z pojedynczym kluczem: a) schemat ideowy, b) idealizowane przebiegi napięć i prądów

Współbieżny konwerter napięcia stałego z izolacją galwaniczną, z pojedynczym kluczem

Zasilacze impulsowe dołączone bezpośrednio do sieci oświetleniowej

Zasilacze impulsowe charakteryzują się dużą sprawnością nawet wtedy, gdy wartość napięcia wyjściowego bardzo różni się od wartości napięcia wejściowego. Fakt ten staje się łatwiej zrozumiały, jeśli wyobrazimy sobie cewkę jako „przetwornik impedancji", którego działanie polega na tym, że wartość prądu wyjściowego może być większa (dla stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia) lub mniejsza (dla stabilizatora zwiększającego wartość napięcia) od wartości średniej prądu wejściowego. Dla porównania, stabilizator o działaniu ciągłym zachowuje się zupełnie inaczej. Wartości średnie jego prądu wej. i wyj. są jednakowe, oczywiście z dokładnością do wartości prądu spoczynkowego samego stabilizatora.

Spostrzeżenia te prowadzą do radykalnego wniosku: możemy usunąć ciężki, obniżający napięcie transformator sieciowy i zasilać stabilizator impulsowy napięciem otrzymywanym z bezpośredniego prostowania i filtrowania napięcia sieci oświetleniowej. Od razu dwie uwagi:

1. Wartość napięcia stałego na wyjściu prostownika sieciowego jest równa 310V , o wartości skutecznej napięcia równej 230 V). Majsterkowanie w tym układzie lub jego otoczeniu jest niebezpieczne!

2. Brak transformatora oznacza, że zaciski wej. stabilizatora zasilanego z prostownika sieciowego nie są odizolowane od sieci oświetleniowej. Dlatego układ stabilizatora impulsowego musi być zmodyfikowany tak, aby jego zaciski wyjściowe były odizolowane od sieci.

Separację wyjść stabilizatora impulsowego od sieci zwykle realizuje się przez nawinięcie drugiego uzwojenia na korpusie cewki pełniącej funkcję akumulatora energii oraz włączenie w pętlę sprzężenia zwrotnego elementu nie pozwalającego na przepływ prądu stałego (może to być transformator lub transoptor). Schemat blokowy sieciowego zasilacza impulsowego przedstawiono na rysunku.

Zwróćmy uwagę na sposób zasilania podzespołów stabilizatora napięcia. Generator jest zasilany napięciem niestabilizowanym doprowadzanym do wejścia stabilizatora, natomiast podzespoły pętli sprzężenia zwrotnego (ZNO, wzmacniacz błędu) są zasilane napięciem stabilizowanym z wyjścia stabilizatora. Czasami do zasilania podzespołów pętli sprzężenia zwrotnego stosuje się pomocniczy zasilacz sieciowy małej mocy (z własnym transformatorem sieciowym małej mocy)o niestabilizowanym napięciu wyjściowym.

Blok z napisem „izolacja" jest często realizowany jako mały transformator impulsowy. Możliwe jest również wykorzystanie w tym miejscu elementów optoelektronicznych (powrócimy do tego tematu dalej).

Można odnieść wrażenie, że jako lepszy od układu zawierającego jeden transformator uznajemy układ dwutransformatorowy.

Cała rzecz nie w liczbie transformatorów, lecz w ich wymiarach. Objętość transformatora zależy od wymiarów rdzenia, które bardzo szybko maleją wraz ze zwiększaniem częstotliwości sygnałów transformowanych. Z tego powodu sieciowe stabilizatory impulsowe są znacznie niniejsze i lżejsze niż równoważne stabilizatory o regulacji ciągłej. Ponadto wydzielają mniej ciepła i ich elementy pracują w niższej temperaturze. Porównajmy dwa zasilacze o stabilizowanym napięciu wyjściowym firmy Power-One o podobnych parametrach i zbliżonej cenie.

Stabilizator impulsowy typu SPL130--1005 (5 V, 26 A) waży 1 kg i zajmuje 1/4 objętości stabilizatora o działaniu ciągłym typu F5-25 (5 V, 15 A), który waży 8,5 kg.

Poza tym, temperatura pracy zasilacza impulsowego, jest mniejsza niż zasilacza ze stabilizatorem liniowym. W tym ostatnim przy pełnym obciążeniu wydziela się 75 W mocy.

Uwagi na temat zasilaczy impulsowych

Możliwości zasilaczy impulsowych jak zwiększane wartości napięcia wejściowego lub jego odwracanie mogą być z powodzeniem wykorzystywane w sytuacjach, gdy potrzebne są źródła napięcia o wartościach: +U i —U o niewielkiej wydajności prądowej, a dysponujemy tylko napięciem o jednej wartości mniejszym od U.

Z taką sytuacją mamy często do czynienia, gdy potrzebne są bipolarne napięcia do zasilania nadajników linii, stosowanych w układach transmisji szeregowej lub do zasilania układów analogowych, w których są stosowane wzmacniacze operacyjne albo przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe.

Inną dziedziną zastosowań zasilaczy impulsowych zwiększających wartość napięcia jest wytwarzanie napięć koniecznych do zasilania wyświetlaczy wymagających napięć o dość dużych wartościach, np. fluorescencyjnych lub plazmowych.

W wymienionych i wielu podobnych przypadkach mamy do czynienia z przetwarzaniem stabilizowanego napięcia stałego (przeważnie o wartości +5 V). Przyjęło się nazywać układy realizujące to przetwarzanie przetwornicami napięcia stałego. Z punktu widzenia układowego są to oczywiście zasilacze impulsowe.

Ciekawy jest fakt, że w zasilaczach impulsowych cewka i kondensator nie pracują jako filtr LC.

O ile filtracyjna interpretacja działania tych elementów jest dopuszczalna w przypadku analizy pracy prostego zasilacza zmniejszającego wartość napięcia, to dla zasilacza odwracającego napięcie taka interpretacja jest pozbawiona sensu. Cewka pełni rolę bezstratnego urządzenia akumulującego energię (wartość zgromadzonej przez nią energii jest równa 1/2 LI²), które potrafi transformować impedancję tak, aby była spełniona zasada zachowania energii.

Konstrukcje zasilaczy impulsowych

W zależności od sposobu, w jaki pętla sprzężenia zwrotnego modyfikuje falę przełączającą klucz tranzystorowy mamy dwa rodzaje zasilaczy: z modulacją szerokości impulsów (ang. PWM switch-mode regulator) oraz ze sterowaniem szczytową wartością prądu cewki (ang. current-mode regulator).

PWM - polega na zmianie szerokości impulsów bez zmiany amplitudy

Rys Układ stabilizacyjny z PWM z “czystym” sprzężeniem zwrotnym napięciowym: a) schemat blokowy, b) zasada działania PWM

W zasilaczach drugiego typu mamy do czynienia ze sterowaniem szczytową wartością prądu cewki stosownie do sygnału z czujnika prądu (rezystora). Sygnał wyjściowy pętli sprzężenia zwrotnego (z wyjścia wzmacniacza błędu) również zmienia szerokość impulsów włączających klucz, lecz w tym przypadku dotyczy to każdego impulsu z osobna. Stabilizatory prądowe mają kilka znaczących zalet w porównaniu ze stabilizatorami typu PWM. Ich popularność po opracowaniu scalonych sterowników pozwalających łatwo realizować stabilizatory tego typu, rośnie z dnia na dzień.

Przy wyborze stabilizatora napięcia stałego, który ma współpracować z danym układem, należy mieć na uwadze zakłócenia wytwarzane przez stabilizatory impulsowe w chwilach przełączeń. Zakłócenia te ujawniają się w następujący sposób:

Jako tętnienia napięcia na wyjściu stabilizatora. Częstotliwość tętnień jest równa częstotliwości przełączeń klucza tranzystorowego, a ich wartość międzyszczytowa zawiera się w przedziale od 10 mV do 100 mV.

Jako tętnienia napięcia i prądu o częstotliwości przełączeń, wymuszane w układach współpracujących z obwodem wejściowym stabilizatora.

Jako promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości przełączeń i jej harmonicznych, wytwarzane przez impulsy prądu płynącego przez cewkę i przewody łączące różne elementy.

Zasilacze impulsowe sprawiają mnóstwo kłopotów, gdy próbuje się je wykorzystać w układach przetwarzających sygnały o niskich poziomach napięć (rzędu 100 u V lub mniejszych).
Bardzo staranne ekranowanie takiego zasilacza oraz filtracja napięcia wyjściowego umożliwia czasami jego użycie, jednak zwykle wychodzi się lepiej, jeśli od samego początku przyjmie się założenie, że w układzie będzie wykorzystany zasilacz stabilizowany o działaniu ciągłym.

Zasilacze impulsowe powinny spełniać następujące wymagania

techniczne :

• utrzymanie stałego napięcia wyjściowego niezależnie od zmian

napięcia wejściowego, prądu obciążenia i temperatury w określonych

przedziałach zmian tych wielkości,

- bardzo dobre tłumienie tętnień na wyjściu zasilacza,

• mała wrażliwość napięcia wyjściowego na skokowe zmiany

obciążenia,

- niski poziom zakłóceń radioelektrycznych przewodzonych w kierunku

wejścia i wyjścia oraz promieniowanych do otaczającej zasilacz

przestrzeni (poniżej poziomu dopuszczalnego przez normy),

- małe napięcie szumów na wyjściu,

- zabezpieczenie nadprądowe,

- zdolność podtrzymania napięcia wyjściowego podczas chwilowego

zaniku napięcia sieciowego (zasilacze sieciowe)

Podstawowe zalety :

1. Duża sprawność energetyczna η

( 70 - 85 % przy częstotliwości pracy 30 - 500 kHz,

85 - 93 % przy częstotliwościach pracy 500 kHz - 2MHz),

2. Możliwość uzyskania dużych mocy wyjściowych (kilka do

kilkuset watów, a w układach mostkowych nawet do 2 KW),

3. Małe rozmiary urządzeń, łatwość hermetyzacji, eksploatacja

w warunkach chłodzenia naturalnego,

4. Łatwość transformacji napięcia zasilającego oraz możliwość

uzyskania izolacji galwanicznej między źródłem zasilania a

obciążeniem.

Podstawowe wady :

1. Możliwość wytwarzania silnych zakłóceń radioelektrycznych,

przy braku odpowiednich zabezpieczeń,

2. Mniejsza niezawodność i trwałość niż zasilaczy o działaniu ciągłym

---