Wspólnie projektujemy: Potężny amatorski zasilacz

Proponuję, żebyśmy wspólnie „pochylili się” nad tematem, który budzi żywe zainteresowanie wielu elektroników. Chodzi o zasilacz o dużym prądzie wyjściowym. Dużym, czyli co najmniej 10 amperów, a może nawet dużo więcej. Jaki jest sens i możliwości budowy takiego zasilacza we własnym zakresie?

W październikowym wydaniu czasopisma postawiłem zadanie YK019: Przeanalizuj sens i możliwości budowy zasilacza o dużym prądzie >10 A i ewentualnie zaproponuj koncepcję realizacji takiego zasilacza w warunkach amatorskich.

Od lat otrzymuję bowiem różne pytania, prośby i propozycje, dotyczące stabilizowanych i regulowanych zasilaczy o dużym i bardzo dużym prądzie wyjściowym, rzędu dziesięciu amperów, a nawet dużo więcej, do 100 amperów. Niektórzy chcieliby mieć potężny zasilacz niejako „dla sportu”, żeby mieć poczucie, że pracownia jest dobrze wyposażona, choćby tylko na wszelki wypadek. Inni mają konkretne potrzeby – zastanawiają się, skąd wziąć źródło zasilania, dostarczające prądu stałego o dużej wartości. Podkreślam, że najczęściej chodzi o zasilacz stabilizowany, najlepiej o napięciu wyjściowym płynnie regulowanym w jak najszerszych granicach, na przykład 1…30 woltów. Niekiedy napięcie ma być ustalone, niezmienne, zwykle rzędu kilkunastu woltów, tylko prąd wyjściowy ma być duży, co oznacza moc rzędu kilkuset watów.

Ale w niektórych przypadkach potrzebne jest źródło energii o dużym prądzie i małym napięciu, poniżej 1 wolta. Wtedy moc jest wprawdzie niewielka, do kilkudziesięciu watów, a jeżeli napięcie wyjściowe ma być tak małe, to ujawniają się rozmaite dodatkowe problemy z jego stabilizacją.

W każdym razie, jeżeli w grę wchodzi prąd powyżej 10 amperów, zadanie na pewno nie jest łatwe.

Wielu młodym, niedoświadczonym elektronikom przydałoby się „wiadro zimnej wody na głowę”, ponieważ dla wielu z nich prąd 10 A, 50 A czy 100 A to tylko cyferki na papierze. Osoby niezorientowane przedstawiają różne nierealne pomysły teoretyczne, nie mając świadomości, czym naprawdę są prądy rzędu kilkudziesięciu amperów.

To temat na oddzielny artykuł, w każdym razie w obwodach, gdzie płyną tak duże prądy trzeba stosować grube przewody i odpowiednie złącza stykowe. Niestety, wielu elektroników „niskoprądowych” zupełnie „nie czuje” problemu – wcale nie zwraca uwagi na rezystancję przewodów i styków w obwodach zasilania. A duże prądy, ponad 10 A, powodują powstanie na tych szkodliwych rezystancjach znaczących spadków napięcia, co też powoduje grzanie tych przewodów i styków.

Problem spadku napięć na przewodach i stykach na pewno staje się poważny przy małych i bardzo małych napięciach wyjściowych. Poważnym kłopotem są wtedy też na pozór tętnienia i fluktuacje napięcia. Przykładowo tętnienia czy spadki napięcia o wielkości 50 mV występujące w napięciu wyjściowym 10 V to tylko 0,5% napięcia zasilania. Natomiast takie same tętnienia 50 mV w napięciu wyjściowym 0,5 V to aż 10%, co może być nieakceptowalne w wielu zastosowaniach.

Zadanie polegające na zbudowaniu wysokoprądowego zasilacza o szerokim zakresie napięć wyjściowych jest więc trudne, ale jak najbardziej realne!

Niezawodny Tadeusz Susfał z Warszawy jako rozwiązanie tego zadania zaproponował:

Modularny zasilacz z wymiennymi modułami

Konstrukcja tego zasilacza jest modułowa, składająca się z różnych modułów funkcyjnych. Będzie to konstrukcja hybrydowa, a nie klasyczna liniowa. Poniżej omawiam poszczególne moduły według rysunku 1.

Moduł zasilacza nieregulowanego: Może to być prosty, nieregulowany zasilacz liniowy z klasycznym transformatorem lub zasilacz impulsowy, który dostarcza podstawowe napięcie stałe (np. 24–48 V).

Moduł przetwornicy impulsowej: Kolejnym modułem będzie przetwornica DC/DC (DC/DC converter) o dużej wydajności prądowej i szerokim zakresie regulacji napięcia.

Moduł stabilizacji liniowej: Ostatnim etapem jest stabilizator liniowy, który jest dodawany, gdy wymagana jest wysoka precyzja i niski poziom tętnień. Może to być układ tranzystorowy, który zapewni stabilizację przy dużych prądach.

Zalety przedstawionego rozwiązania hybrydowego:

– Elastyczność: Możliwość dobierania modułów do konkretnych potrzeb.

– Łatwość modyfikacji: Poszczególne moduły można wymieniać i dostosowywać do nowych wymagań.

Przykład realizacji: Transformator z przewiniętym uzwojeniem wtórnym, umożliwiający uzyskanie napięcia 30–40 V AC, które po prostowaniu i filtrowaniu da napięcie wyjściowe w granicach 40–50 V DC. Transformator musi być odpowiednio dużej mocy, aby zapewnić odpowiedni prąd. Można wykorzystać gotowy transformator o odpowiednich parametrach. Posiadam transformator DTW 1200 / 9, który ma kilka uzwojeń wtórnych, w tym 2 × 34 VAC, pozwalające na obciążenie prądem 20 A. Jest to transformator prawdopodobnie wymontowany z zasilacza awaryjnego Ares 1600. Masa transformatora to 6,5 kg.

Wykorzystanie transformatora wymaga zastosowania odpowiedniego mostka prostowniczego i kondensatorów filtrujących. Klasyczny mostek prostowniczy zamienia napięcie AC na DC, a bateria kondensatorów elektrolitycznych wygładza napięcie.

Alternatywnie, w wersji bez klasycznego transformatora, można zastosować zasilacz impulsowy AC/DC o stałym lub regulowanym napięciu wyjściowym, np. MS-1200 W lub S-1200-48 (48 V/1200 W).

Moduł przetwornicy impulsowej DC/DC – z możliwością regulacji napięcia, obniżającej lub podwyższającej napięcie. Należy wybrać przetwornicę o wydajności prądowej rzędu 10–20 A. Posiadam kilka przetwornic, które mogą się nadać do tego zastosowania: WZ5020L, XY6020L (przetwornice step-down) oraz moduł 1800 W/40 A (przetwornica step-up).

Opcjonalny wyjściowy stabilizator liniowy – np. układ na tranzystorze MOSFET z odpowiednim układem regulacji, który wygładzi tętnienia.

Zasilacz o dużej wydajności prądowej (>10 A) można zbudować zarówno na bazie klasycznej topologii liniowej, jak i hybrydowej konstrukcji łączącej przetwornice impulsowe z liniową regulacją wyjściową. Hybrydowe rozwiązania oferują większą sprawność i mniejsze straty mocy, podczas gdy klasyczny zasilacz z dużym transformatorem jest dużo mniej efektywny energetycznie.

Wszystkie moduły będą łączone za pomocą złączy systemu XT60 (30 A) lub XT90 (40 A), ze względu na duże prądy. System modułowy umożliwi różne konfiguracje układowe, np. korzystanie z różnych przetwornic. Poszczególne moduły będą mniejsze i lżejsze niż pojedyncza konstrukcja, co ułatwi ich transport i obsługę.

Na rysunku przedstawiam schemat blokowy połączeń poszczególnych modułów. Zamieszczony na schemacie przełącznik jest poglądowy i pokazuje wersje alternatywne. Jedna wersja wykorzystuje transformator z mostkiem prostowniczym, a druga – zasilacz impulsowy AC/DC jako źródło napięcia DC.

Tadeusz Susfał

Przedstawiona koncepcja modułowa jest wręcz idealna dla elektronika, który przeprowadza rozmaite eksperymenty. W zależności od potrzeb można wtedy zestawić odpowiednie moduły, a nawet naprędce dodać coś jeszcze, na przykład jakieś filtry.

Jednak wielu młodych elektroników sądzi, że optymalnym, czyli najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie sieciowego zasilacza impulsowego.

W niektórych przypadkach tak! Ale tylko w niektórych. Co bardzo ważne, samodzielna budowa dużego sieciowego zasilacza impulsowego jest nieprawdopodobnie trudnym wyzwaniem nawet dla doświadczonego zawodowego konstruktora. Z takim zadaniem nie poradzi sobie nawet zaawansowany elektronik hobbysta. Tym bardziej, że w grę wchodzą też kwestie i przepisy bezpieczeństwa.

Można co najwyżej pomyśleć o zakupie gotowego, fabrycznego sieciowego zasilacza impulsowego.

Fabryczne zasilacze impulsowe

Rysunek 2 pokazuje na pozór idealne rozwiązanie: gotowy zasilacz laboratoryjny 30 V 20 A w cenie około 350 złotych lub wersja 30 V 30 A za 516 zł, podobnie też wersja 60 V 10 A.

Do niektórych zastosowań rzeczywiście może to być optymalne rozwiązanie, ale trzeba pamiętać o kilku bardzo ważnych kwestiach. To są najtańsze tego rodzaju zasilacze, więc zostały zrealizowane „bardzo oszczędnie” pod różnymi względami. I to na pewno negatywnie wpływa na ich właściwości.

Wielu osobom idealnym rozwiązaniem, przynajmniej „na pierwszy rzut oka”, wydaje się wykorzystanie niedrogich, gotowych modułów przetwornic impulsowych. Wydaje się, że dziś problemu nie ma, bo dostępnych jest też sporo różnych przetwornic impulsowych o prądach większych niż 10 amperów.

Moduły przetwornic impulsowych

Kilka osób zaproponowało wykorzystanie na pozór ogromnie atrakcyjnych regulatorów, pokazanych na rysunkach 3 i 4.

Pierwszy (60 V, 20 A) kosztuje niecałe sto złotych. Podobne 100-woltowe kosztują poniżej 120 złotych. Moduł z rysunku 4 jest wprawdzie znacznie droższy, ale może pracować przy prądach do 30 amperów.

Wygląda to bardzo atrakcyjnie, tylko po pierwsze, trzeba pamiętać, że nie jest to kompletny zasilacz sieciowy, a jedynie wyjściowa niskonapięciowa przetwornica obniżająca. Trzeba dodać jakiś zasilacz sieciowy, zapewne impulsowy, o napięciu wyjściowym rzędu 60 woltów lub więcej. A wtedy sytuacja nie wygląda już tak różowo: cena kompletnego zestawu z rysunku 4 – regulatora, zasilacza sieciowego i obudowy wynosi ponad 1100 złotych.

Po drugie, należałoby się upewnić, czy sprzęty z rysunków 2…4 w ogóle spełniają europejskie wymagania dotyczące bezpieczeństwa użytkowania, a także czy spełniają europejskie normy dotyczące emisji zakłóceń, zarówno tych przenoszonych drogą przewodową, przez sieć energetyczną, jak i zakłóceń wypromieniowanych w postaci fal radiowych.

Obawiam się, a wręcz jestem pewny, że nie spełniają, głównie wymagań dotyczących zakłóceń (są sprzedawane jako podzespoły, a nie urządzenia). Ale nawet jeśliby gotowe zasilacze z rysunku 2 spełniały, to wszelkie zasilacze impulsowe (przetwornice impulsowe) „strasznie śmiecą”, a najbardziej te tańsze, pracujące bez żadnej obudowy czy ekranu.

Do bardziej precyzyjnych zastosowań tanie przetwornice impulsowe nie nadają się właśnie z uwagi na „mnóstwo śmieci”. A przy dużych prądach te impulsowe „śmieci” są nie do opanowania i w wielu przypadkach wręcz uniemożliwią pomiary za pomocą oscyloskopu. Potwierdzą to nie tylko krótkofalowcy, ale też prawie wszyscy elektronicy, którzy zajmują się pomiarami małych sygnałów.

Dlatego, jeśli wymagania co do „jakości” napięcia wyjściowego i poziomy zakłóceń „w powietrzu” są wysokie, najprawdopodobniej wszelkie przetwornice trzeba odrzucić. Przy niższych wymaganiach można wykorzystać przetwornice, ale najprawdopodobniej stosując dodatkowe sposoby redukcji zakłóceń.

Klasyczne zasilacze transformatorowe

Właśnie z uwagi na zakłócenia wytwarzane przez praktycznie wszystkie przetwornice impulsowe, w pracowni elektronika nadal preferowane są klasyczne zasilacze liniowe z ciężkimi transformatorami. Tak! Zasilacze z drogimi i ciężkimi transformatorami oraz z potężnymi radiatorami, bo one nie wytwarzają zakłóceń. Ani w liniach sieci energetycznej, ani w postaci pól elektromagnetycznych.

Ja mam duże przetwornice impulsowe, pokazane na fotografii 5.

Jednak ostatnio zdecydowałem się na zakup potężnego, bardzo starego, wyprodukowanego w latach 70. zasilacza INCO IZS-5/71. Zasilacza w nieznanym stanie, pokazanego na fotografii 6. To jest perełka – genialna jak na owe dawne czasy konstrukcja – zasilacz o dużej precyzji, z termostatowanym źródłem napięcia odniesienia, którego napięcie wyjściowe można skokowo regulować z rozdzielczością 0,1 V w ogromnym zakresie 0,1 V do 500,0 V, a maksymalny prąd wyjściowy to 1 amper.

Kupiony zasilacz jest kompletny i ogólnie biorąc pracuje, jednak jak na razie nie miałem czasu, żeby zbadać szczegóły, w tym bardzo ważną kwestię utraty pojemności przez liczne kondensatory elektrolityczne, które mają ponad 50 lat. Druga kwestia to przełączniki i ich rezystancja styku.

Cieszyłbym się, gdyby udało się wykorzystać ten zasilacz w oryginalnej postaci. A jeśli nie, to spróbuję wykorzystać obudowę, transformator i bardzo solidne przełączniki, a wymienić elektronikę. W oryginale regulację zapewniają… lampy elektronowe i być może trzeba będzie je zastąpić albo tranzystorem IGBT, albo jakimś potężnym MOSFET-em.

W każdym razie nieporęczne i nienowoczesne zasilacze liniowe nadal okazują się wręcz niezbędne nie tylko w laboratoriach, ale i w pracowniach elektroników hobbystów.

Z realizacją zasilaczy i stabilizatorów liniowych o małych prądach nie ma większego problemu, ale jeżeli prąd pracy ma być rzędu 10 A lub więcej, to w grę wchodzą różne problemy i różne możliwości.

Przede wszystkim podstawą konstrukcji mogą być stare, duże klasyczne transformatory z odzysku. Fotografia 7 pokazuje przykłady większych transformatorów z moich zapasów.

Niestety, coraz trudniej je pozyskać z uwagi na wysokie ceny miedzi. Często sprzedawane są przez niezorientowanych właścicieli na złom. A inni, bardziej zorientowani, wystawiają je na aukcje z wysokimi, zaporowymi cenami.

Problem jest tylko z transformatorem, bowiem prostownik mostkowy i kondensatory filtrujące kupimy tanio bez problemu. A wyjściowy liniowy stabilizator napięcia to oddzielna sprawa. Istotną przeszkodą praktyczną okazuje się też fakt, że zwykle takie potężne transformatory mają pojedyncze uzwojenie wtórne, często o dość dużym napięciu 24 V, co po wyprostowaniu i filtrowaniu daje około 35 woltów. Na pozór bardzo atrakcyjne transformatory z kuchenek mikrofalowych wymagają przewinięcia uzwojenia wtórnego, a takiego zadania, i słusznie, podejmuje się coraz mniej osób.

Do budowy potężnego zasilacza liniowego o napięciu wyjściowym regulowanym w szerokim zakresie, pożądany byłby transformator z jak największą liczbą odczepów. Szczegóły omówię w oddzielnym artykule, w następnym numerze czasopisma. Właśnie z uwagi na brak odczepów i trudność bezstratnej, skokowej regulacji napięcia, warto przeanalizować inne możliwości.

Zasilacze komputerowe i serwerowe

Jeśli zakłócenia nie są kwestią krytyczną, można rozważyć użycie jednego lub większej liczby zasilaczy impulsowych, ale „z dodatkami”. Napięcie wyjściowe zasilacza impulsowego na pewno jest „zaśmiecone”, ale może rozwiązaniem będzie dodanie tam filtru, a jeszcze lepiej wyjściowego liniowego stabilizatora napięcia według koncepcji z rysunku 1.

Dziś bez problemu można pozyskać używane, sprawne zasilacze od „blaszaków” o mocach nawet ponad 400 watów, gdzie wydajność głównych obwodów napięć +5 V i +12 V wynosi 20 A, a nawet więcej. Na fotografii 8 pokazane są przykłady typowych zasilaczy komputerowych, z których jeden został przerobiony na ładowarkę akumulatorów.

W praktyce problemem jest wtedy wyłączenie licznych obwodów kontrolujących poszczególne napięcia wyjściowe oraz dodanie obwodu regulacji – ograniczania prądu.

Godne uwagi są też zasilacze serwerowe. Taki zasilacz daje napięcie 12 V, a wydatność prądowa wynosi kilkadziesiąt amperów, w niektórych nawet ponad 100 A! Fotografia 9 prezentuje dziesięć „małych” zasilaczy serwerowych DELL Z670P, które w sumie dają napięcie ponad 100 V lub sumaryczny prąd dużo większy niż 100 amperów.

Tak, dziesięć „małych” zasilaczy, bo ich wydajność prądowa wynosi „tylko” 54,4 A (fotografia 10). Inne odmiany mają prąd wyjściowy znacznie większy.

Przykład z fotografii 11 to zasilacz, który przy napięciu sieci 230 V może dostarczyć do 118 amperów!

Używane, sprawne zasilacze serwerowe można kupić po okazyjnych, śmiesznych cenach. Jest jednak pewien kłopot z ich wykorzystaniem i przeróbką. Taki zasilacz trzeba uruchomić w nietypowy sposób, różny w poszczególnych modelach. W zasilaczach serwerowych, które zawierają impulsową, podwyższającą przetwornicę PFC oraz główną mostkową przetwornicę przepustową, trudna, a wręcz niemożliwa okazuje się regulacja napięcia wyjściowego w szerszym zakresie. A przy szeregowym połączeniu wyjść trzeba też rozwiązać problem z „masą na obudowie”.

W grę wchodzą też oczywiście kwestie bezpieczeństwa. W każdym razie hobbyści dość często eksperymentują, dokonują przeróbek i wykorzystują nie tylko bardziej znane zasilacze komputerowe, ale te dużo potężniejsze zasilacze serwerowe. Więcej szczegółów mogę podać w oddzielnych artykułach.

Liniowy stabilizator wyjściowy

Jeżeli napięcie wyjściowe ma być „gładkie” i dobrze stabilizowane, należy na wyjściu dodatkowo zastosować stabilizator liniowy.

Jedna kwestia, to koncepcja układowa. Mówimy o prądach co najmniej 10 A, więc trudno będzie wykorzystać jakiś stabilizator scalony (choć nie jest wykluczone użycie kilku stabilizatorów połączonych równolegle). Raczej jakiś tranzystor czy tranzystory.

Tak czy inaczej, jest problem z mocą strat w takim stabilizatorze. Stabilizator musi mieć element regulacyjny – jakiś tranzystor o odpowiednim prądzie maksymalnym, i co ważniejsze – o odpowiednio dużej mocy strat. Przykładowo, gdy przy prądzie 10 A na takim elemencie wystąpi napięcie 12 V, to wydzieli się w nim 120 watów mocy strat w postaci ciepła. W praktyce z taką mocą strat nie poradzi sobie tranzystor 120- czy 150-watowy. W grę wchodzą „najsilniejsze” MOSFET-y oraz tranzystory i moduły IGBT. Lub połączenie równoległe kilku tranzystorów, ale to w przypadku MOSFET-ów czy IGBT jest bardzo ryzykowne.

Wybór tranzystora to jeden problem. Drugi to wybór odpowiedniego radiatora, zapewne z wentylatorem.

W stabilizatorze liniowym największym problemem będzie właśnie moc strat cieplnych, więc planując budowę zasilacza trzeba rozważyć, jakie są realne możliwości redukcji tych strat. Jedną z opcji jest klasyczny transformator z wieloma odczepami lub zastosowanie dodatkowej regulowanej przetwornicy impulsowej, jak na rysunku 1 (DC/DC converter).

Filtry i ekranowanie

W niektórych zastosowaniach nie trzeba stosować „czystego” zasilacza liniowego, a wystarczyłoby na wyjściu zasilacza impulsowego (przetwornicy) zastosować filtr redukujący zakłócenia.

Takim filtrem może być obwód LC lub kilka takich obwodów. Wbrew pozorom, kwestia doboru filtrów LC w obwodach zasilania wcale nie jest taka prosta, jak może się wydawać. Interesującym rozwiązaniem może być filtr aktywny. Ale nie filtr na wzmacniaczu operacyjnym, tylko nieskomplikowany filtr z obwodem RC z dosłownie jednym tranzystorem. Ale to oddzielne, w sumie bardzo szerokie tematy, zwłaszcza jeśli w grę wchodzą zakłócenia wspólne i zakłócenia różnicowe względem ziemi (uziemienia).

Filtr wyjściowy może rozwiązać problem „czystości napięcia wyjściowego” w zasilaczu impulsowym, ale jego obecność zapewne pogorszy stabilizację.

Ponadto taki filtr nie usunie ewentualnych zakłóceń radiowych, czyli rozsiewanych z przetwornic impulsowych przez pole elektryczne, magnetyczne i elektromagnetyczne. To też jest ważny i obszerny wątek, o którym nie tylko trzeba pamiętać, ale też w miarę możliwości z nim walczyć. Walczyć przez stosowanie ekranów (osłon ekranujących) i przez oddalenie przetwornic od czułych obwodów i urządzeń.

Podsumowanie

W podsumowaniu trzeba stwierdzić, że samodzielna budowa dobrego zasilacza o prądzie wyjściowym co najmniej 10 amperów to zadanie bardzo ambitne, trudne, ale jak najbardziej realne, a nawet ekonomicznie uzasadnione.

Moim zdaniem w warunkach amatorskich optymalna jest koncepcja modułowa. Czyli nie budowa jednego, potężnego, kompletnego zasilacza, tylko realizacja niezależnych bloków – modułów, z których według potrzeb zestawiany byłby zasilacz o wymaganych parametrach. Impulsowy, gdy wymagania nie są wysokie albo liniowy, gdy kluczową kwestią jest redukcja zakłóceń.

Podstawowym źródłem energii może być nieregulowany zasilacz: albo z klasycznym transformatorem, albo impulsowy, ewentualnie dobry akumulator lub zestaw kilku akumulatorów.

Nieregulowane napięcie z takiego źródła w większości zastosowań byłoby podwyższane lub obniżane za pomocą modułu przetwornicy (obniżającej lub podwyższającej).

Na wyjściu takiej przetwornicy mógłby być potrzebny albo filtr „tłumiący śmieci”, albo dodatkowy stabilizator liniowy, który nie tylko odfiltruje śmieci”, ale też zapewni precyzyjną stabilizację napięcia wyjściowego.

Mogłyby to być oddzielne „półprodukty”, które w razie potrzeby pozwolą zestawić potrzebny system zasilający zbudowany „z klocków”.

Jak na razie zasygnalizowałem tylko podstawowe problemy i kilka różnych możliwości.

Tematu absolutnie nie zamykam. W następnym numerze czasopisma przedstawię artykuł Budujemy potężny zasilacz, w którym bliżej omówię różne szczegóły. Planuję też kolejne tematy z serii Wspólnie projektujemy dotyczące zasilaczy dużej mocy. ©

Piotr Górecki