Wspólnie projektujemy: Sygnalizator braku stabilizacji

W cyklu Wspólnie projektujemy budujemy zasilacz warsztatowy. Wprowadzeniem był artykuł Projektowanie zasilacza liniowego. Dalsze informacje są tutaj. Poniżej przedstawione są różne możliwości rozwiązania zadania YK010, dotyczącego sygnalizowania braku stabilizacji napięcia wyjściowego.

Od kilku miesięcy zajmujemy się wspólnym projektowaniem, na pozór bardzo prostego, zasilacza na bazie scalonego stabilizatora LM317. Okazuje się, że od popularnego stabilizatora do praktycznie użytecznego zasilacza droga jest bardzo daleka.

W numerze ZE 12/2023 postawione było kolejne, następujące zadanie konkursowe YK010:

Zaproponuj schemat obwodu, który światłem lub dźwiękiem zasygnalizuje brak stabilizacji napięcia wyjściowego w zasilaczu z kostką LM317.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do końca stycznia 2024 roku. Oto dalsze informacje na temat tego zadania. Przypomnę też, że wcześniej, w kilku kolejnych zadaniach konkursowych zajmowaliśmy się elementarnymi problemami oraz sposobami ich rozwiązania. Podstawowy układ stabilizatora napięcia jest prosty i dla jego wzbogacenia dotychczas zajmowaliśmy się dodatkowymi obwodami ogranicznika – stabilizatora prądu oraz możliwościami pomiaru napięcia i prądu.

Zadanie YK010 dotyczyło ważnej w praktyce kwestii. Otóż w dobrym amatorskim zasilaczu powinny być też pewne dodatkowe obwody kontroli i sygnalizacji. Między innymi obwód sygnalizujący, że zasilacz pracuje na granicy możliwości i już nie jest stabilizatorem. Konkretnie, że nie jest stabilizatorem napięcia. Chodzi o sygnalizację, że w napięciu na wyjściu zasilacza z kostką LM317 pojawiły się tętnienia.

Problem braku stabilizacji

Na początek trzeba wyraźnie podkreślić, że to zadanie konkursowe NIE dotyczyło sygnalizacji obniżenia napięcia wyjściowego wskutek zadziałania ogranicznika prądowego. Dotyczyło pokrewnej sytuacji, gdy z jakichkolwiek powodów napięcie wyjściowe nie jest takie, jak wynikałoby z ustawienia potencjometru regulacyjnego. Najczęściej dotyczy to sytuacji, gdy napięcie wyjściowe ustawiane jest na maksimum lub blisko maksimum. W szczególności gdy napięcie uzyskiwane z transformatora zmniejsza się przy znaczącym poborze prądu, przez co układ nie może już stabilizować napięcia.

W klasycznym zasilaczu uzwojenie wtórne dołączone jest do mostka prostowniczego i głównego kondensatora filtrującego – rysunek 1. Na tym kondensatorze występuje napięcie stałe (tętniące).

Otóż tylko przy braku prądu obciążenia, napięcie na kondensatorze jest idealnie gładkie. Gdy płynie prąd obciążenia, po pierwsze w tym napięciu występują tętnienia, po drugie średnia wartość napięcia obniża się, głównie z uwagi na rezystancje wewnętrzne transformatora.

Krótko mówiąc, ze wzrostem poboru prądu tętniące napięcie na wejściu stabilizatora zmniejsza się i tętnienia rosną.

Rysunek 2 pokazuje w pewnym uproszczeniu trzy przypadki przebiegu napięcia na tym kondensatorze, zależnie od prądu obciążenia I_L.

Napięcie na kondensatorze zależy też znacząco od aktualnego napięcia sieci energetycznej.

Dlatego w pewnych sytuacjach chwilowe napięcie przed stabilizatorem okazuje się zbyt niskie, by zasilacz dał na wyjściu napięcie nastawione potencjometrem P. W przypadku kostki LM317 według rysunku 3, w chwilach „dolin” przebiegu tętniącego, zbyt niskie staje się napięcie U_DO na stabilizatorze. Stabilizator nie może wtedy prawidłowo pracować i na jego wyjściu pojawiają się tętnienia.

Jeżeli potencjometrem P ustawimy niewielkie napięcie wyjściowe U_OUT, to nie ma problemu, bo na stabilizatorze, między jego wejściem a wyjściem występuje odpowiednio duży spadek napięcia U_DO, większy niż najniższe dopuszczalne napięcie drop out, wymagane dla prawidłowej pracy zasilacza.

A dla LM317 to minimalne napięcie drop out wynosi mniej więcej 1,5 V…2,5 V, zależnie od prądu i temperatury. Dokładniej pokazuje to rysunek 4, pochodzący z karty katalogowej LM317 Onsemi.

W praktyce problem powstaje wtedy, gdy przy ustawieniu potencjometrem P napięcia wyjściowego U_OUT blisko maksimum, chcemy z zasilacza pobrać prąd o dużej wartości. Pobór prądu powoduje wtedy obniżanie napięcia na wejściu stabilizatora według rysunku 2 i gdy różnica napięć między wejściem i wyjściem stabilizatora stanie się mniejsza od katalogowego napięcia drop out według rysunku 4, wtedy w napięciu wyjściowym pojawią się tętnienia, co pokazuje rysunek 5.

W dobrych fabrycznych zasilaczach laboratoryjnych tego problemu nie ma dlatego, ponieważ układ, w szczególności transformator, projektowany
jest z odpowiednim zapasem, a napięcie i prąd maksymalny są dobrane tak, żeby opisana sytuacja nie wystąpiła.

Problem powszechnie występuje w zasilaczach realizowanych przez hobbystów, ponieważ tam często są stosowane przypadkowo wybrane transformatory, najprościej mówiąc, o małej mocy.

Wtedy może się zdarzyć i zdarza się, gdy napięcie wyjściowe ustawione jest blisko maksimum i prąd też jest bliski maksymalnemu, że wystąpi sytuacja z rysunku 5. Oczywiście można tego uniknąć, gdy maksymalne napięcie wyjściowe U_OUT, jakie można ustawić za pomocą potencjometru P, będzie dużo mniejsze, niż napięcie na kondensatorze przy małych prądach obciążenia (rysunek 2a, 2b). Wtedy przy dowolnym ustawieniu potencjometru napięcie U_DO na stabilizatorze będzie dużo większe od niezbędnego minimalnego.

Tak, ale w zasilaczu amatorskim po prostu chcemy z danego niewielkiego transformatora „wycisnąć ile się da”. I nie chcemy ograniczać napięcia maksymalnego, jakie można ustawić potencjometrem. Przy ustawieniu maksymalnego napięcia wyjściowego gotowi jesteśmy pracować „na granicy stabilizacji”.

Ogólnie biorąc, z „oszczędnie zaprojektowanego” amatorskiego zasilacza z niewielkim transformatorem przy małych napięciach wyjściowych można pobrać jakiś stosunkowo duży prąd (pomijamy problem strat mocy w stabilizatorze). Ale chcemy też mieć możliwość ustawienia jak najwyższego napięcia wyjściowego.

Oczywiście przy wyższych napięciach wyjściowych godzimy się, że użyteczny prąd maksymalny będzie mniejszy, może nawet dużo mniejszy, z uwagi na pojawienie się tętnień, czyli brak stabilizacji. Godzimy się na to, tylko chcemy wiedzieć, kiedy zasilacz przestaje stabilizować napięcie z opisywanego właśnie powodu.

Jeżeli w zasilaczu zamontowany jest woltomierz – monitor napięcia wyjściowego, to w niektórych sytuacjach wystarczająco zasygnalizuje on omawiany problem, ale niestety łatwo to przeoczyć. Dlatego warto przewidzieć w zasilaczu dodatkowy obwód sygnalizacji tętnień.

I właśnie zadanie YK010 dotyczyło kwestii: jak wykryć i zasygnalizować, że w napięciu wyjściowym już pojawiły się tętnienia? A jeszcze lepiej, gdyby taka sygnalizacja była włączana nieco wcześniej, gdy zasilacz jeszcze stabilizuje, ale już jest na granicy prawidłowej pracy i gdy dalsze zwiększanie prądu spowoduje pojawienie się na wyjściu tętnień.

Od razu informuję, że nie spełni tej roli sygnalizator przekroczenia jakiejś dobranej eksperymentalnie wartości prądu. Otóż próg sygnalizatora nie może być nastawiony na konkretną wartość prądu. Choćby tylko dlatego, że wydajność prądowa transformatora, a tym samym napięcie na głównym kondensatorze filtrującym, silnie zależy też od napięcia w sieci energetycznej 230 V, które może zmieniać się w dość szerokich granicach. Jednoczesne obniżenie napięcia sieci i znaczny pobór prądu zaskakująco mocno zmniejszają napięcie wyjściowe transformatora – w efekcie już na wejściu stabilizatora napięcie jest za małe, żeby prawidłowo pracował on przy zaplanowanym i ustawionym maksymalnym napięciu zasilacza i znacznym prądzie.

Podkreślam, że można zastosować odpowiednio duży transformator z dużym zapasem i tak określić napięcie i prąd maksymalny, żeby wykluczyć opisywaną tu możliwość wystąpienia tętnień napięcia wyjściowego. I tak było w starych profesjonalnych, laboratoryjnych 220-woltowych zasilaczach analogowych, które prawidłowo pracują także przy napięciu sieci zmniejszonym o 15%, czyli wynoszącym 195 V. Z uwagi na takie wymagania, dobre profesjonalne zasilacze muszą być odpowiednio przewymiarowane, a więc i odpowiednio drogie (dlatego też są takie ciężkie z uwagi na potężny transformator).

Co istotne, nie warto takiego przewymiarowania robić w zasilaczach amatorskich. Zdecydowanie lepiej jest dodać sygnalizator braku stabilizacji, który jest tematem tego zadania.

Wykrywanie tętnień występujących na wyjściu

Jeden z uczestników konkursu napisał:

Witam!

Sygnalizacja braku stabilizacji – już kiedyś Pan to zrobił (…) Nawet kupiłem kity (…) do zasilaczy, które służyły mi około 10 lat.

Gdybym miał wykryć brak stabilizacji teraz, to badałbym tętnienia napięcia na wejściu (wyjściu): jeżeli pojawia się 50/100 Hz o zbyt dużej amplitudzie to powinno wywoływać alarm. Ja już prawie nie potrafię zbudować czegokolwiek bez mikrokontrolera, ale jakbym musiał, to LPF 100 Hz [filtr dolnoprzepustowy 100 Hz] na OpAmpie. Tak napisałem spontanicznie, bez zbędnego myślenia. Pozdrawiam

SS

„Bez zbędnego myślenia” można też szybko narysować schemat tego rodzaju sygnalizatora. Możliwości jest wiele.

W przypadku najpopularniejszego wzmacniacza operacyjnego LM358 można byłoby rozważyć wykorzystanie mocno nietypowego układu ze wzmacniaczem odwracającym według rysunku 6, który reaguje na „ujemne połówki” przebiegu zmiennego. Trzeba zastanowić się, jakim napięciem byłby zasilany taki obwód? A wartości elementów należałoby dobrać w sposób praktyczny.

Można byłoby też wykorzystać bardziej klasyczny układ według rysunku 7, gdzie wzmacniacz operacyjny pracuje jako typowy wzmacniacz nieodwracający, wzmacniający tylko dodatnie połówki sygnału zmiennego. Dlatego bez kondensatora Cx brzęczyk będzie terkotał w rytm częstotliwości tętnień 100 Hz. Obecność kondensatora „złagodzi dźwięk”, niemniej terkotanie w tym przypadku może być zaletą, a nie wadą. Dlatego warto dobrać pojemność eksperymentalnie.

Obwody wyjściowe z tranzystorem, diodą LED i brzęczykiem piezo (z generatorem) można skonfigurować i dostosować, zależnie od potrzeb i parametrów wykorzystanego brzęczyka.

Takie rozwiązania zapewniają sygnalizację „po fakcie”. A jeżeli ktoś chciałby zrealizować sygnalizator „przed faktem” może kontrolować spadek napięcia na stabilizatorze.

Kontrola spadku napięcia na stabilizatorze

Idea kontroli spadku napięcia na stabilizatorze według rysunku 8 jest prosta. Sygnalizator powinien zadziałać, gdy napięcie U_DO zmniejszy się poniżej pewnej granicy.

Trzeba jednak mieć na uwadze dwie kwestie. Po pierwsze, mamy mierzyć napięcie „pływające względem masy”, więc prawdopodobnie nie będzie to pomiar napięć względem masy, tylko jakiś obwód „pływający w powietrzu”.

Po drugie, wcześniejszy rysunek 4 wskazuje, że wymagane minimalne napięcie U_DO na stabilizatorze zależy i od poboru prądu, i od temperatury. Gdybyśmy więc chcieli „wycisnąć z zasilacza wszystko co się da”, to w zasadzie należałoby uwzględnić też wpływ temperatury (struktury) i aktualny prąd pracy. To zadanie możliwe do zrealizowania, ale dość trudne.

W prostym i tanim zasilaczu można zastosować jakieś podejście uproszczone. Otóż projektowany zasilacz nie będzie pracował przy prądach większych niż 1 amper. Dlatego można byłoby przyjąć w uproszczeniu, że dla zapewnienia prawidłowej pracy, minimalne napięcie na stabilizatorze nie może być mniejsze niż 2 wolty.

A jeżeli maksymalny prąd zasilacza wynosiłby 0,5 A, to można przyjąć mniejsze minimalne napięcie na stabilizatorze, w granicach 1,75…1,8 V.

Jaki obwód miałby kontrolować spadek napięcia na stabilizatorze?

Możliwości jest wiele. Mógłby to być obwód z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym TL081 lub pokrewnym. Wejścia tych wzmacniaczy mogą prawidłowo pracować na poziomie dodatniej szyny zasilania. Rysunek 9 pokazuje podstawową ideę.

Maksymalne napięcie zasilania kostek TL081 (TL071) to 36 V, więc ujemny zacisk zasilania można dołączyć do masy. Drobnym problemem jest maksymalne dopuszczalne napięcie miedzy wejściami wynoszące 15 V, dlatego trzeba ograniczyć napięcie wejściowe, na przykład według rysunku 10.

Zamiast starej kostki TL081 można wykorzystać dowolny nowoczesny wzmacniacz z wejściem rail-to-rail, tylko takie wzmacniacze z reguły mają małe maksymalne napięcie zasilania, często tylko 5,5…7 V. Wtedy trzeba byłoby zastosować jakiś ogranicznik napięcia zasilania według idei z rysunku 11.

W wersjach z rysunków 10 i 11 wzmacniacz operacyjny nie jest komparatorem, lecz pracuje liniowo i prąd kolektora dołączonego tranzystora oraz mierzone względem masy napięcie na rezystorze R_C są wprost proporcjonalne do napięcia występującego na stabilizatorze. Można je w różny sposób mierzyć lub wykorzystać układ sygnalizatora, na przykład według rysunku 12.

Można też czujnik napięcia na stabilizatorze i sygnalizator akustyczno–optyczny zrealizować dużo łatwiej, na przykład według mocno uproszczonej idei z rysunku 13. Gdy napięcie na stabilizatorze jest odpowiednio duże, przewodzi tranzystor T_A, świeci zielona kontrolka i tranzystor T_B jest zatkany. Próg zadziałania wyznacza tu dioda Zenera.

W praktyce należałoby to zrealizować inaczej. Otóż wartość rezystora RB powinna być jak największa, by prąd przezeń płynący nie podnosił napięcia wyjściowego, a z obwodu bazy raczej należy usunąć diodę Zenera, która nie powinna pracować przy znikomo małym prądzie. Tranzystor T_A powinien być „darlingtonem”. Do otwarcia „darlingtona” potrzebne jest napięcie około 1,0…1,2 V, czyli zdecydowanie mniejsze, niż próg zadziałania potrzebnego tu sygnalizatora. Wartość napięcia progowego można zwiększyć włączając dwie dobrane diody, zwykłe lub Schottky’ego, na przykład w obwodzie emitera, a nie w obwodzie bazy. Możliwości jest wiele. Rysunek 14 pokazuje jedną z możliwych wersji (której nie testowałem praktycznie).

Rysunek 4 wskazuje, że przy prądach mniejszych niż 0,5 A, ze wzrostem temperatury struktury stabilizatora LM317 warto byłoby zmniejszać napięcie progowe omawianego teraz sygnalizatora. Można to zrealizować bardzo prosto, umieszczając „darlingtona” TA i diody podwyższające D_X na stabilizatorze LM317, żeby miały one podobną temperaturę. Korekcja nie będzie idealna, ale lepsze to niż nic, tym bardziej, że takie rozwiązanie nic nie kosztuje.

Podsumowanie

Omówiłem dwa kierunki działań: wykrywanie tętnień na wyjściu oraz monitorowanie spadku napięcia U_DO na stabilizatorze. Mam nadzieję, że podane informacje wystarczą chętnym do wypróbowania jednego ze sposobów, do czego zachęcam! Może i Ty spróbujesz coś takiego zrealizować i zbadać?

Oczywiście szczegóły, w tym wartości elementów, trzeba ustalić w finalnym układzie. Chętnie przedstawiłbym w czasopiśmie praktyczne rezultaty tego rodzaju prób.

Piotr Górecki