Projektowanie zasilacza liniowego. Rozważania wstępne

W ramach inicjatywy Warsztatowy zasilacz liniowy w kilku etapach wspólnie zaprojektujemy i zrealizujemy praktycznie użyteczny zasilacz o przyzwoitych parametrach. Dokonamy tego metodą kolejnych kroków, za pomocą siedmiu etapów – konkursów, do których wprowadzeniem jest poniższy artykuł.

Dziś większość zasilaczy to w istocie przetwornice impulsowe, które wytwarzają mnóstwo różnych zakłóceń. Do prac i eksperymentów warsztatowych nieporównanie lepsze są klasyczne zasilacze liniowe, które zakłóceń nie wytwarzają.

Brak zakłóceń jest podstawową zaletą klasycznych zasilaczy, natomiast ich główną i istotną wadą są duże straty mocy w obwodach stabilizacji. Dlatego, chcąc wykonać liniowy stabilizowany zasilacz warsztatowy, trzeba gruntownie zastanowić się nad rzeczywistymi potrzebami i możliwościami.

Rzeczywiste potrzeby

Oczywiście najlepiej byłoby posiadać uniwersalny zasilacz laboratoryjny o bardzo dobrych parametrach i szerokich możliwościowych, na przykład o napięciu płynnie regulowanym w zakresie 0…50 V, z ogranicznikiem prądowym płynnie regulowanym w zakresie 0…5 A i z rozmaitymi dodatkowymi funkcjami ułatwiającymi wygodę obsługi.

Wierz mi, że budowa takiego zasilacza byłaby i bardzo kosztowna, i bardzo, bardzo trudna.

Praktyka okazuje, że niezwykle rzadko potrzebny jest bardzo dobrej jakości zasilacz stabilizowany o napięciu wyjściowym ponad 20 woltów i o prądzie ponad 1 A. Gdy napięcie i prąd są duże, zwykle precyzyjna stabilizacja nie jest konieczna i można zastosować oszczędniejszy zasilacz impulsowy. A dobra stabilizacja najczęściej jest dziś potrzebna w przypadkach, gdy napięcie zasilania wynosi tylko kilka woltów, przy czym zasilane energooszczędne układy pobierają niewiele prądu, zwykle dużo mniej niż 1 amper.

Zastanów się przez chwilę, czy i kiedy naprawdę był Ci niezbędny potężny zasilacz o dobrych parametrach stabilizacji?

Potężny zasilacz o prądzie 20 amperów lub jeszcze dużo większym, możemy zrealizować w ramach innego cyklu, z wykorzystaniem zasilacza, a raczej zasilaczy impulsowych – pierwsze dwa artykuły do takiej serii są już gotowe. Natomiast w ramach niniejszego cyklu Warsztatowy zasilacz liniowy chcemy zbudować urządzenie o skromniejszych możliwościach, ale za to o dobrych właściwościach i przede wszystkim nie wytwarzające zakłóceń impulsowych.

Ja wiem, że mnóstwo elektroników od razu chciałoby zbudować zasilacz o robiących wrażenie parametrach: dużym napięciu, dużym prądzie i dużej mocy. Większość tego rodzaju prób daje mizerne efekty, a nawet gdy taki zasilacz powstanie, podczas użytkowania wychodzi wiele jego wad. Duża moc wyjściowa radykalnie zwiększa koszty zasilacza albo jest realizowana z zastosowaniem różnych bolesnych kompromisów. Duże napięcie wyjściowe bardzo rzadko jest potrzebne. Wbrew pozorom, duży prąd maksymalny często okazuje się fatalną wadą podczas pracy. I to nawet w zasilaczach z regulacją prądu. Proste ograniczniki prądu niestety przepuszczają krótkie potężne impulsy, a te potrafią uszkodzić zasilany układ w przypadku różnych awarii i eksperymentów.

Moja praktyka pokazuje, że w warsztacie elektronika powinien być co najmniej jeden, a lepiej dwa zasilacze regulowane, o niezbyt dużej mocy, napięciu i prądzie, a za to wyposażone w dodatkowe bardzo pożyteczne funkcje. Oto szczegóły.

Potrzebny zakres napięć wyjściowych

Cześć Czytelników zapewne chciałby mieć zasilacz o napięciu wyjściowym zaczynającym się od zera.

To zły pomysł! Karkołomny! Wykonanie dobrego stabilizatora napięć mniejszych niż 1 V o znacznym prądzie pracy, wbrew pozorom okazuje się zaskakująco trudnym zadaniem. Możemy w przyszłości zająć się realizacją zasilacza niskonapięciowego w ramach odrębnego projektu i zapewne potrzebne tam będą superkondensatory, a przynajmniej jeden.

Co prawda nowoczesne mikroprocesory zasilane są napięciem poniżej 1 wolta, jednak współczesny hobbysta bardzo rzadko ma do czynienia z układami zasilanymi napięciem niższym niż 3,3 wolta.

Dlatego zasadniczo wystarczyłby zasilacz warsztatowy o minimalnym napięciu wyjściowym 3 V. Jeszcze niższe napięcie wyjściowe, 2,5 V czy 1,5 V będzie nam potrzebne bardzo rzadko. Owszem, czasem chcemy wykorzystać zasilacz zamiast pojedynczej baterii 1,5-woltowej czy akumulatorka 1,2 V, ale bardzo rzadko, zresztą można to zrobić inaczej.

Jeżeli chodzi o maksymalne napięcie wyjściowe zasilacza warsztatowego, to wiele osób chciałoby jak najwięcej, co najmniej 30 woltów. Ale pomyśl: w ogromnej większości przypadków wystarczy napięcie zasilające do 12 woltów. 15 czy 16 woltów to spory zapas, a 24 V czy 30 V to luksus, najprawdopodobniej niepotrzebny. Problem w tym, że najczęściej będziemy pracować przy niskich napięciach wyjściowych, rzędu kilku woltów, a wysokie napięcie maksymalne w przypadku zasilaczy liniowych oznacza duże straty cieplne w liniowym stabilizatorze.

W razie potrzeby wyższe napięcie uzyskamy łącząc w szereg dwa lub więcej zasilaczy. Dochodzimy więc do wniosku, że najbardziej potrzebujemy zasilacza warsztatowego o napięciu minimalnym w zakresie 1 V…2 V i maksymalnym w zakresie 12 V…20 V.

Wiele, wiele lat temu, na początku lat 90. wykonałem niepozorny, prosty, wręcz prymitywny zasilacz pokazany na fotografii 1. Ma on dwa kanały 1,25 V…14 V 0,3 A i dodatkowo kanał 5 V 1 A.

Prąd wyjściowy i moc

Z mojego doświadczenia wynika, że w przytłaczającej większości przypadków w pracowni potrzebny jest zasilacz warsztatowy o napięciu regulowanym od kilku do kilkunastu woltów i o prądzie do 100…300 mA. Bardzo rzadko o prądzie powyżej 1 A.

Dlatego uważam, że teraz w ramach cyklu Wspólnie projektujemy – Warsztatowy zasilacz liniowy skupimy się na zasilaczu o regulowanym napięciu wyjściowym i maksymalnym prądzie wyjściowym 300 mA do 1 ampera.

A to oznacza, że taki zasilacz może być zrealizowany na bazie niedużego transformatora o mocy kilkunastu, a nawet tylko kilku watów.

Możesz mi wierzyć albo nie, ale przez około 30 lat bardzo często wykorzystuję właśnie ten zasilacz, pomimo jego licznych wad i niedoróbek. Podstawowa idea przerwała próbę czasu. Konstrukcja okazała się bardzo dobra i niezawodna. Oczywiście ten zasilacz ma liczne niedoróbki i właśnie teraz, w ramach cyklu Wspólnie projektujemy – Warsztatowy zasilacz liniowy, chcemy usunąć wady i niedoróbki, które ma ta stara, nadmiernie prosta konstrukcja.

Transformator i radiator

Przyjęty nieduży prąd maksymalny (0,3…1 A) pozwoli wykorzystać nieduży transformator, być może z odzysku lub kupiony po okazyjnej cenie. I co w praktyce równie ważne – nie trzeba będzie stosować potężnych radiatorów do chłodzenia stabilizatora.

Fotografia 2 pokazuje wnętrze mojego bardzo starego modelu. Pracuje tam 15-watowy transformator, a radiatory stabilizatorów to zwykłe kawałki blachy aluminiowej. Nie jest to wzór do naśladowania z kilku względów, miedzy innymi bezpieczeństwa, bowiem odnośne przepisy zostały przez ostatnie 30 lat mocno zaostrzone. Omówmy dokładniej, jakie braki chcemy teraz wspólnie usunąć.

Ogranicznik i stabilizator prądu

W opisach zasilaczy bardzo często spotyka się oznaczenie CV / CC. Skrót CC od Constant Current, czyli niezmienny prąd, wskazuje na obecność ogranicznika lub inaczej stabilizatora prądu.

Mój stary zasilacz ma ogranicznik prądu, ale ustawiony na stałe. W dwóch kanałach regulowanych prąd ograniczania wynosi około 300 mA. W nowej wersji, którą chcemy wspólnie zaprojektować, chcemy zrealizować regulowany ogranicznik – stabilizator prądu. Regulacja nie musi być płynna, całkowicie wystarczy skokowa. Minimalna wersja powinna dawać możliwość ustawienia trzech wartości prądu maksymalnego, na przykład 40 mA, 200 mA, 1 A albo w słabszej wersji: 30 mA, 100 mA 300 mA.

Pomiar napięcia i prądu

Mój zasilacz z fotografii 1, 2 ma tylko kontrolki LED. Czerwona zaświeca się, gdy działa ogranicznik prądu, czyli gdy zasilacz pracuje w trybie CC. Nie ma niestety ani wskaźników aktualnego napięcia, ani aktualnego prądu wyjściowego. A to jest bardzo uciążliwe, zwłaszcza brak informacji o wartości prądu i o jego zmianach.

Napięcie wyjściowe można ustawić i kontrolować za pomocą zewnętrznego woltomierza, ale z prądem jest większy kłopot. Nowa wersja zasilacza musi być wyposażona przynajmniej w miernik prądu.

Może to być, ale nie musi być miernik cyfrowy. Może być miernik analogowy – wskazówkowy. Wiele osób nadal preferuje odczyt analogowy właśnie w przypadku pomiarów prądu, a w szczególności jego zmian.

Gdyby to był wskazówkowy miernik prądu, to może pokazywać bezwzględną wartość prądu jako amperomierz. Ale niekoniecznie: może pokazywać wartość procentową względem ustawionego prądu maksymalnego. I taki analogowy wskaźnik procentowy może być optymalnym rozwiązaniem w przypadku zasilacza z kilkoma zakresami ogranicznika prądowego.

Sygnalizacja braku stabilizacji

W moim zasilaczu czerwona lampka sygnalizuje tylko, że działa ogranicznik prądowy. Nie ma natomiast żadnego wskaźnika, że w napięciu wyjściowym pojawiły się znaczące tętnienia.

A może się to zdarzyć, gdy napięcie wyjściowe ustawione jest na maksimum i prąd też jest bliski maksymalnemu, a napięcie w sieci energetycznej jest mniejsze od nominalnego 230 V.

Obniżone napięcie sieci i znaczny pobór prądu zmniejszają napięcie wyjściowe transformatora i w efekcie na wejściu stabilizatora napięcie jest za małe, żeby prawidłowo pracował on przy ustawionym maksymalnym napięciu zasilacza.

Owszem, można tak ograniczyć prąd maksymalny i zastosować odpowiednio duży transformator z zapasem, żeby wykluczyć taką możliwość. I tak powinno być w profesjonalnych zasilaczach, które powinny prawidłowo pracować 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. Wierz mi, że nie warto tego robić w zasilaczach amatorskich, bowiem wystarczy dodac jakiś sygnalizator braku stabilizacji. Mój stary zasilacz oczywiście tego nie ma.

Właściwości termiczne

Pokrewny problem dotyczy radiatorów i odprowadzania ciepła. Jeżeli układ stabilizatora nie ma zabezpieczenia termicznego, to główny element (tranzystor) regulacyjny może ulec przegrzaniu i dosłownie spaleniu. Jeżeli stabilizator ma zabezpieczenie termiczne, jak to jest w praktycznie wszystkich stabilizatorach scalonych, to nie ulegnie uszkodzeniu. Nie przegrzeje się, bowiem zabezpieczenie termiczne zmniejszy i napięcie, i tym samym prąd stabilizatora, żeby nie dopuścić do przegrzania. Stabilizator się nie uszkodzi, ale jeżeli podczas jakichś testów zabezpieczenie termiczne obniży napięcie i pobór prądu, to zakłóci te eksperymenty i spowoduje zamieszanie i niepotrzebne problemy.

Niejeden elektronik doświadczył czegoś takiego, gdy niepotrzebnie stracił masę czasu na szukanie „dziwnego błędu w układzie”, gdy tymczasem przyczyną było niezauważone obniżenie napięcia.

Coś takiego zdarza się, gdy w zasilaczu ustawione jest niskie napięcie wyjściowe i pracuje on z prądem bliskim maksymalnemu, a akurat napięcie w sieci energetycznej jest podwyższone, na przykład z powodu obecności w sąsiedztwie wielu instalacji fotowoltaicznych. Wtedy w analogowym stabilizatorze wydziela się na tyle duża moc strat, że zadziała zabezpieczenie termiczne.

Problem w tym, że zadziała po cichu, obniży napięcie i prąd, a użytkownik tego nie zauważy, co oznacza niepotrzebne kłopoty. Oczywiście znów rozwiązaniem może być przewymiarowanie, tym razem radiatorów chłodzących. Jednak także i tu dużo lepszym rozwiązaniem jest byłoby dodanie obwodu informującego o nadmiernym wzroście temperatury elementów regulacyjnych lub radiatorów. Choć nie jest to jednak łatwe z kilku względów, dobrze byłoby mieć w zasilaczu obwody, które zasygnalizują możliwość kłopotów „termicznych”.

Bezpiecznik elektroniczny?

Wiele osób uważa, że zasilacz powinien mieć także wbudowane obwody bezpiecznika elektronicznego. To kwestia dyskusyjna i najpierw należałoby dokładnie określić, czym jest bezpiecznik elektroniczny i jakie ma mieć właściwości dynamiczne. Często miano bezpiecznika elektronicznego nosi układ lub obwód, który w razie przeciążenia prądowego całkowicie przerywa obwód i do powrotu do normalnej sytuacji wymagane jest naciśnięcie jakiegoś przycisku lub wyłączenie zasilania.

Jednak funkcję bezpiecznika z powodzeniem spełni odpowiednio ustawiony ogranicznik (stabilizator) prądu. Byle miał odpowiednie właściwości dynamiczne, a z tym niestety bywa różnie (podobnie z bezpiecznikami elektronicznymi, z których część ma działanie zbyt powolne i przepuszcza silne impulsy, np podczas zwarcia).

Nie widzę potrzeby dodawania bezpiecznika elektronicznego, a za to należy zwrócić uwagę na szybkość działania ogranicznika prądowego, co zresztą nie jest wcale takie jasne, proste i oczywiste.

Sensownym wyposażeniem zasilacza warsztatowego może być natomiast inny obwód.

Dodatkowe zabezpieczenie nadnapięciowe?

Coraz więcej osób przekonuje się, że zbyt wysokie napięcie zasilające przypadkowo podane na niskonapięciowy układ może takowy uszkodzić.

Takie zbyt wysokie napięcie zasilania może być wynikiem pomyłki elektronika, który w zasilaczu ustawił zbyt wysokie napięcie. Może też być wynikiem awarii – uszkodzenia zasilacza, np. przebicia szeregowych tranzystorów regulacyjnych.

Efektem może być nieodwracalne uszkodzenie jakiegoś kosztownego układu 3,3– albo 5–woltowego. Dlatego niektórzy chcieliby mieć albo oddzielny autonomiczny układ, albo wbudowany w zasilacz niezależny obwód, który byłby rodzajem ogranicznika napięcia, stanowiąc dodatkowe zabezpieczenie, uniemożliwiając nadmierny wzrost napięcia.

Kwestia jest dyskusyjna, bo taki ogranicznik nadnapięciowy musiałby być niezależny od zasilacza i jego nastaw. Użytkownik musiałby go nastawiać ręcznie, co stanowi dodatkowy kłopot i nie daje gwarancji, że będzie skuteczne.

Niemniej każdy, kto przez zbyt wysokie napięcie zasilania spalił jakiś kosztowny moduł, przynajmniej chciałby mieć możliwość zastosowania tego rodzaju ogranicznika nadnapięciowego. Nie sygnalizatora, tylko ogranicznika, który skutecznie zapobiegnie wzrostowi napięcia, np wprowadzając kontrolowane zwarcie. Tym szczegółem też się zajmiemy.

Inne obwody pomocnicze?

Samodzielne zaprojektowanie i własnoręczne wykonanie zasilacza o sensownych parametrach to jedna z najważniejszych, kanonicznych, a może wręcz najważniejsza pozycja w dorobku każdego elektronika. Nic dziwnego, że niektórzy chcieliby taki swojej roboty zasilacz wyposażyć w jeszcze inne funkcje i obwody. Może to być jak najbardziej sensowne i uzasadnione, więc do tego też wrócimy.

Wspólnie projektujemy zasilacz – etapami

Inicjatywę Wspólnie projektujemy – Warsztatowy zasilacz liniowy zrealizujemy w kilku etapach, które związane będą z zadaniami konkursowymi.

Oto tematyka planowanych zadań konkursowych:

1. Podstawowy układ zasilacza (z LM317).
2. Ogranicznik – stabilizator prądu.
3. Pomiar napięcia i prądu wyjściowego.
4. Sygnalizator braku stabilizacji napięcia.
5. Obwody kontroli termicznej.
6. Dodatkowe zabezpieczenie nadnapięciowe.
7. Opcjonalne zmiany i ulepszenia.

Po pierwsze zapraszam do udziału w siedmiu konkursach, z których pierwszy ogłoszony jest poniżej. Po drugie – zapraszam do praktycznej realizacji, testowania i ulepszania.

Pomysł jest taki, żeby zrealizować zasilacz w pewnym sensie modułowy, składający się z pewnej liczby autonomicznych klocków. Fundamentem ma być podstawowy moduł, zawierający transformator, prostownik, filtr oraz regulowany stabilizator napięcia. Tylko stabilizator napięcia, ponieważ stabilizatorem – ogranicznikiem prądu zajmiemy się w konkursie trzecim. W ten sposób już w pierwszym etapie uzyskamy praktycznie użyteczny zasilacz, który w następnych etapach będziemy wzbogacać i wyposażać w kolejne funkcje. W następnym artykule przedstawione jest pierwsze zadanie konkursowe.

Piotr Górecki