Mały liniowy zasilacz: „Sztywność” transformatorów

W początkowym artykule serii oraz w filmie S050 zaprezentowałem trzy wersje liniowych zasilaczy warsztatowych z kostką LM317 oraz przedstawiłem założenia projektowe. W poprzednim artykule serii omówiłem kwestie doboru transformatora i bezpiecznika. W tym artykule omawiam kolejną ważną kwestię praktyczną.

W drugim artykule serii dotyczącej projektowania prostego, liniowego zasilacza do pracowni hobbysty omówię istotne szczegóły dotyczące doboru transformatora. Wrócimy do ważnej kwestii „sztywności”. Omówię także możliwości szeregowego i równoległego łączenia uzwojeń transformatorów.

„Sztywność” i „miękkość” transformatorów

W poprzednim artykule serii wspomniałem o „sztywności” transformatora. Przypominam, że w katalogu podana jest wartość skuteczna napięcia przemiennego przy obciążeniu rezystancją taką, która spowoduje przepływ nominalnego prądu obciążenia. Katalog podaje wartości skuteczne napięcia oraz prądu przemiennego o kształcie sinusoidalnym przy obciążeniu rezystancyjnym.

A my w zasilaczu mamy zdecydowanie inne warunki pracy i powinniśmy to dobrze rozumieć. Już wiemy, że bez obciążenia (przy zerowym prądzie obciążenia) napięcie wyjściowe transformatora jest wyższe od nominalnego. Musi być wyższe, ponieważ po obciążeniu transformatora, płynący prąd wywoła spadek napięcia na rezystancjach drutu uzwojeń, co spowoduje zmniejszenie napięcia na obciążeniu.

Na fotografii 1 przypominam problem „miękkości” malutkiego transformatora TS2/24. Jego katalogowe napięcie nominalne to 25 woltów, a bez obciążenia daje on przemienne napięcie wyjściowe 30,91 V, czyli praktycznie 31 woltów. Po obciążeniu go katalogowym prądem nominalnym (0,04 A) napięcie zmniejsza się do około 26 woltów. Dlaczego?

Wyjaśnia to rysunek 2a, pokazujący wewnętrzne rezystancje uzwojeń. Dokładniejszy schemat zastępczy realnego transformatora jest bardziej skomplikowany, ale pomijamy kwestię strat w rdzeniu oraz indukcyjności i prądu jałowego. Teraz omawiamy tylko „sztywność”, dlatego schemat zastępczy można jeszcze bardziej uprościć i traktować realny transformator jako połączenie transformatora idealnego oraz pojedynczej „rezystancji wewnętrznej” R_W według rysunku 2b.

I właśnie „sztywność” czy też „miękkość” transformatora związana jest z jego wypadkową rezystancją wewnętrzną R_W, ale „sztywność” nie jest tą rezystancją, bo w grę wchodzi też moc i prąd transformatora. „Sztywność” to nieścisłe określenie i w zasadzie należałoby mówić nie o rezystancji, tylko właśnie o różnicy procentowej napięcia bez obciążenia względem napięcia nominalnego. Potocznie mówimy, że czym mniejsza ta różnica napięć, tym „sztywniejszy” jest transformator.

Dla malutkiego transformatora z fotografii 1 napięcie bez obciążenia to około 31 V, a z nominalnym obciążeniem około 26 V. Stosunek tych napięć to około 1,2. I moglibyśmy powiedzieć, że jego „współczynnik sztywności” czy też „współczynnik miękkości” wynosi właśnie 1,2.

Na razie mówiliśmy o „sztywności” przy obciążeniu rezystancyjnym. W zasilaczu z prostownikiem i kondensatorem obciążenie ma inne właściwości, a problem „sztywności” może być jeszcze większy. Fotografia 3 pokazuje przykład transformatora TS 2/34 o katalogowych parametrach 10,1 V, 0,18 A. Interesują nas wartości napięcia na kondensatorze filtrującym w różnych warunkach. Jedna skrajna sytuacja dotyczy podwyższonego napięcia sieciowego, co jest powszechne w wielu okolicach. Za pomocą autotransformatora ustawiłem jak najbardziej dopuszczalne napięcie wejściowe 251 V (230 V + 9%) i wtedy bez obciążenia (czerwony multimetr) na kondensatorze filtru otrzymujemy napięcie stałe 20,72 V.

Przypominam, że katalogowe napięcie wtórne tego transformatora to 10,1 V. Często „z przyzwyczajenia” mnożymy to katalogowe napięcie przez 1,4 i spodziewamy się napięcia stałego mniej więcej o takiej wartości. Tu byłoby to 14,2 V. A jak widzimy na fotografii 3, w jak najbardziej realnych warunkach na kondensatorze filtrującym otrzymamy napięcie stałe ponad dwa razy większe od napięcia katalogowego! Jest to istotne przy doborze napięcia nominalnego kondensatora filtrującego i diod.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w majowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 5/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.