Zasilanie
Aby urządzenia elektroniczne mogły funkcjonować, muszą mieć dostarczone zasilanie ze źródła napięcia o odpowiednich parametrach. Większość przenośnych urządzeń elektronicznych korzysta z zasilania bateryjnego. Natomiast urządzenia stacjonarne, a zwłaszcza takie, które wykazują spore zapotrzebowanie na moc i pracują w sposób długotrwały, zwykle wymagają podawania napięcia z zasilacza podłączonego do gniazdka elektrycznego 230V. Zasilacze przekształcają parametry energii elektrycznej ze źródła zasilania w taki sposób, aby spełnić wymagania dotyczące zasilania urządzeń w celu zapewnienia ich prawidłowego funkcjonowania. Przekształcenie energii ze źródła zasilania może przebiegać na drodze obniżenia lub podwyższenia napięcia, a także przekształcenia jego przebiegu czasowego. W tym artykule przedstawiono najważniejsze elementy zawarte w konstrukcji liniowych zasilaczy sieciowych, ich funkcje oraz zasadę działania.
Podstawowe konstrukcje zasilaczy liniowych
Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w zasilaczach sieciowych. Najbardziej popularne z nich to zasilacze zmieniające napięcie przemienne z gniazdka sieciowego na obniżone napięcie stałe, które jest niezbędne do funkcjonowania różnych urządzeń elektronicznych. Typowy zasilacz liniowy można podzielić na kilka bloków funkcyjnych, z których każdy ma istotną funkcję. Patrząc od strony źródła zasilania, pierwszym blokiem zasilacza jest transformator, który obniża napięcie sieciowe, np. z 230V na 12V. To napięcie jest podawane na układ prostownikowy, który zamienia napięcie przemienne na napięcie zmienne jednokierunkowe (wyprostowane). Takie napięcie jest podawane na zespół kondensatorów filtrujących, który wygładza przebieg napięcia tak, aby zredukować w nim tętnienia. Końcowym blokiem zasilacza, jest regulator napięcia, który stabilizuje napięcie wyjściowe, uzyskując przebieg czasowy napięcia zbliżony do napięcia z baterii.
Zasilanie – wstępne obniżanie napięcia
Pierwszym blokiem zasilacza sieciowego liniowego, jest transformator. Zasada działania transformatora polega na zamiany jednego poziomu napięcia na drugi poziom, poprzez sprzężenie magnetyczne dwóch uzwojeń izolowanych względem siebie. Transformatory to najprostszy sposób na regulację napięcia przemiennego. Uzwojenia transformatora sieciowego są nawinięte na rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego. Kiedy uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła napięcia zasilającego, wówczas przepływa przez nie prąd, który jest źródłem pola magnetycznego. Strumień pola magnetycznego przechodzi przez magnetowód (rdzeń) i zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniu wtórnym, przy czym wartość napięcia na uzwojeniach zależy także od liczby zwojów.
Zasilanie – zmiana kształtu przebiegu czasowego napięcia
Po obniżeniu napięcia przez transformator, trafia ono na wejście układu prostownikowego, zbudowanego z diod prostowniczych i jest zamieniane na napięcie pulsujące jednokierunkowe. Z uwagi na spadek napięcia na diodach, który ma wartość ok. 0,7V, transformator zasilający musi mieć odpowiednio wysokie napięcie wtórne, aby pokryć te spadki napięć. Najprostszym sposobem na wyprostowanie napięcia, jest włączenie pojedynczej diody szeregowo z odbiornikiem. Wówczas uzyskujemy przebieg napięcia wyprostowany półfalowo. Natomiast najbardziej popularnym i korzystnym pod względem efektywności układem prostownikowym, jest mostek diodowy Graetza, który umożliwia uzyskanie napięcia wyprostowanego pełnofalowo.
Zasilanie – wygładzanie wyprostowanego przebiegu napięcia i stabilizacja końcowa na wyjściu zasilacza
Napięcie jednokierunkowe uzyskane po wyprostowaniu, z uwagi na zbyt dużą zmienność w czasie jeszcze nie jest wystarczająco odpowiednie, aby zasilać wrażliwe układy elektroniczne. Z tego powodu, napięcie pulsujące musi zostać poddane dalszemu przetwarzaniu, aby było bezpieczne dla elektroniki. Typowym rozwiązaniem stosowanym w zasilaczach jest podłączenie za układem prostownikowym kondensatorów filtrujących, które podtrzymują napięcie zasilania w chwilach czasowych, w których napięcie wyjściowe z prostownika spada poniżej wartości szczytowej ustalonej. Dlatego najlepiej używać kondensatorów o odpowiednio dużej pojemności i o odpowiednio wyższym dopuszczalnym napięciu roboczym. Aby uzyskać napięcie o kształcie zbliżonym do napięcia z baterii, tj. linii prostej, za filtrem wygładzającym montowany jest scalony stabilizator napięcia. Stabilizatory napięcia występują jako jednonapięciowe (nieregulowane) oraz regulowane. Dostępne są w różnych napięciach zasilania (najczęściej typowo stosuje się 3,3V, 5V, 12V, 15V i 24V), a także różnych wartościach wydajności prądowej. W celu zapewnienia prawidłowej pracy, pomiędzy wejście i masę oraz wyjście i masę stabilizatora należy włączyć kondensatory, typowo o pojemności 100nF lub 220nF. Natomiast jeśli zasilane urządzenie pobiera duży prąd, należy metalową część obudowy stabilizatora napięcia posmarować taśmą termoprzewodzącą i przykręcić radiator wspomagający odprowadzanie ciepła.