Zasilacze – stabilizatory prądowe i napięciowe

W poprzednim artykule Zasilacze prądowe oraz zasilacze napięciowe omówiliśmy z grubsza zasadę zasilania stałoprądowego. Przypomnieliśmy pojęcia źródła prądowego i źródła napięciowego. W poniższym artykule powiążemy to z elektronicznymi stabilizatorami oraz przejdziemy do praktyki.

W poprzednim artykule w ZE 6/2023 stwierdziliśmy, że zasilacz prądowy to inaczej mówiąc stabilizator prądu. Ponieważ jednak zasilacze prądowe przeznaczone do zasilania diod LED są nowością oraz mają pewne specyficzne cechy, musimy także omówić kilka innych ważnych aspektów zagadnienia.

Stabilizatory: źródła napięciowe czy prądowe?

Od dawna w elektronice stosowano elementy, które miały pełnić rolę stabilizatorów napięcia oraz stabilizatorów prądu. Młodzi elektronicy być może nawet nie słyszeli o czymś takim jak bareter. Prawdopodobnie nie wiedzą też, że do stabilizacji napięcia służyły dawniej lampki neonowe – neonówki.

Później najbardziej znanym elementem stabilizującym napięcie stały się diody Zenera. Zdecydowanie mniej znane i rzadko wykorzystywane były półprzewodnikowe stabilizatory prądu w postaci… tranzystorów polowych.

Ogólnie biorąc, wymienione właśnie elementy stabilizujące miały słabe parametry (choć do dziś najbardziej precyzyjne źródła napięcia wzorcowego zawierają diody Zenera, a z użyciem tranzystorów polowych można zrealizować źródła prądowe bliskie ideału). A w elektronice, w analizie układów, wykorzystuje się teoretyczne, hipotetyczne, idealne modele źródła prądowego oraz źródła napięciowego, co było przypomniane w poprzednim artykule.

To są modele idealne, a niedoskonałość zwykle przedstawiamy w najprostszy sposób, dodając na schematach zastępczych rezystancję wewnętrzną R_W, ale to teraz nie ma znaczenia. Rysunek 1 pokazuje przykładową charakterystykę jakiegoś źródła napięciowego.

W idealnym przypadku, gdy rezystancja wewnętrzna jest równa zeru, charakterystyka byłaby pozioma. Natomiast rysunek 2 przedstawia charakterystykę źródła prądowego o prądzie 2 A. W idealnym przypadku (rezystancja wewnętrzna równa nieskończoności) charakterystyka byłaby pionowa.

A jak rozumieć rysunek 3? Mamy tu niejako połączenie charakterystyk idealnego źródła napięciowego i idealnego źródła prądowego.

Jak to się ma do dzisiejszej rzeczywistości, w szczególności do zasilaczy prądowych? Czy można połączyć (szeregowo albo równolegle) rzeczywiste elementy zachowujące się jak źródła napięciowe i prądowe, żeby uzyskać taką charakterystykę?

Dawniej stabilizacja napięcia kojarzyła się z diodami Zenera, wcześniej z neonówkami, a stabilizacja prądu… często nie kojarzyła się z żadnymi konkretnymi elementami, bo rzadko ją stosowano. Owszem, w bardzo starych urządzeniach lampowych wykorzystywano czasem baretery, ale częściej urdoksy, które jednak pełniły inną funkcję niż stabilizacja wartości prądu.

Potem napięcie stabilizowano z wykorzystaniem diod Zenera, a stabilizację prądu realizowano rozmaicie, generalnie z wykorzystaniem tranzystorów pracujących w specyficznych konfiguracjach. Na wiele różnych sposobów można zrealizować praktycznie użyteczny stabilizator prądu, który bardzo często nazywany źródłem prądowym. Dla nas teraz jest istotne, że dawniej do stabilizacji napięcia wykorzystywano zupełnie inne rozwiązania niż do stabilizacji prądu. Dziś jest inaczej i trzeba to bardzo mocno podkreślić i wytłumaczyć.

Otóż obecnie prawie wszystkie współczesne zasilacze, zarówno napięciowe, jak i prądowe, to w sumie przetwornice impulsowe. Ponieważ są zasilane z sieci energetycznej 230V, więc nie są to przetwornice najprostsze, choćby dlatego, że przepisy bezpieczeństwa wymuszają obecność oddzielenia galwanicznego. Dlatego zasilacze sieciowe zawierają transformator, który taką galwaniczną izolację zapewnia. Co ważne, takie przetwornice impulsowe zawierają dość skomplikowany (scalony) układ sterujący.

Czy do realizacji zasilacza napięciowego stosuje się inne konfiguracje niż zasilacza prądowego? A czy do realizacji zasilacza o charakterystyce według rysunku 3 potrzebne jest połączenie dwóch zasilaczy, napięciowego i prądowego?

NIE! Warto przypomnieć, że taką ładną, prostokątną charakterystykę według rysunku 3 mają dobre zasilacze laboratoryjne, z którymi większość z nas miała kontakt w szkole czy na uczelni. Można w nich regulować i napięcie wyjściowe, i prąd ograniczania: od zera do jakiejś wartości maksymalnej zależnej od wielkości (mocy) zasilacza. Rysunek 4 pokazuje stronę TME z bogatą ofertą takich zasilaczy.

Charakterystyka z rysunku 3 wygląda na złożenie charakterystyk źródeł napięciowego i prądowego. Tak, ale zasilacz laboratoryjny o prostokątnej charakterystyce NIE zawiera dwóch zasilaczy (prądowego i napięciowego).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze październikowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć archiwalne numery znajdują się na stronie: https://piotr-gorecki.pl/n11