Miernictwo_06 Zasilacze.pdf

Miernictwo

POZNAJEMY PRZYRZĄDY

POMIAROWE

Zasilacz to podstawowe urządzenie w pracowni

radioamatora. Wiele urządzeń elektronicznych może

być zasilanych wprost ze zwykłej baterii. Jednak

często do zasilania badanego układu potrzeba zbyt

dużego napięcia lub prądu niż bateria jaką dyspo−

nujemy może dostarczyć. Można oczywiście teore−

tycznie otrzymać każde napięcie, łącząc baterie

szeregowo. Gorzej jest, gdy chcemy uzyskać więk−

szy prąd. Stosowanie do zasilania badanych ukła−

dów baterii jest rozwiązaniem kosztownym, szcze−

gólnie wtedy gdy układ nie pracuje poprawnie i pobie−

ra zbyt duży prąd. Nie mając kontroli wartości prą−

du (ograniczenia prądowego) szybko doprowadzi−

my albo do uszkodzenia następnych elementów

układu albo do całkowitego rozładowania baterii.

Do prac serwisowych czy konstrukcyjnych jest

konieczne urządzenie uniwersalne, umożliwiające

regulację napięcia, najlepiej od zera, z jednoczes−

ną kontrolą tego napięcia na wewnętrznym wolto−

mierzu. Podobne wymagania dotyczą prądu. Zasi−

lacz laboratoryjny powinien posiadać zabezpie−

czenie przed poborem zbyt dużego prądu obciąże−

nia i najlepiej gdyby ten prąd maksymalny był re−

gulowany. Warto też móc obserować wartość tego

prądu na amperomierzu zasilacza.

Typowy zasilacz laboratoryjny zapewnia zarów−

no stabilizację napięcia z niego otrzymywanego

jak i prądu. Gdy prąd pobierany przez badany układ

przekroczy ustawioną wartość ograniczenia, czyli

rezystancja obciążenia jaką przedstawia dołączony

do zasilacza badany układ zmniejszy się, zasilacz

przełącza się automatycznie na stabilizację prądo−

wą. Oznacza to, że przez wspomnianą rezystancję

obciążenia płynie prąd o wartości stabilizowanej.

Dalsze zmniejszanie rezystancji obciążenia nie po−

woduje zwiększenia prądu ponad ustawioną war−

tość maksymalną. Rodzaj stabilizacji, przy której pra−

cuje zasilacz jest sygnalizowany zwykle w sposób

optyczny tj. za pomocą żarówek lub diod świecących.

Indywidualne potrzeby użytkowników zasilaczy

są bardzo różne. W wielu przypadkach jest po−

trzebne znacznie większe napięcie, sięgające częs−

to kilkuset woltów i kilkudziesięciu amperów.

Iloczyn wartosci maksymalnych napięcia i prądu

wyjściowego, czyli moc, to podstawowy parametr

zasilacza. Firmy produkujące zasilacze wytwarzają

zwykle jedną lub kilka serii zasilaczy, różniących

się napięciem i prądem maksymalnym, lecz mających

taką samą moc. Na przykład, produkowana nie−

gdyś w Polsce przez firmę Unima rodzina zasilaczy

o mocy wyjściowej 100W liczyła cztery modele o pa−

rametrach: 10V−10A, 20V−5A, 50V−2A i 100V−1A.

Oczywiście napięcie i prąd maksymalny to tylko

dwa, choć najważniejsze, parametry zasilacza. Do

pozostałych należą: współczynniki stabilizacji na−

pięcia wyjściowego i prądu wyjściowego (od zmian

napięcia sieci zasilającej), napięcie szumów i tętnień

przy stabilizacji napięciowej, tętnienia prądu wy−

jściowego przy stabilizacji prądu, niestabilność termicz−

na napięcia i prądu wyjściowego, rezystancja wyjścio−

wa czyli stablizacja napięcia od zmian prądu obciąże−

nia, oraz zakres temperatur pracy zasilacza.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy

prostego zasilacza stabilizowanego.

Współczesne zasilacze laboratoryjne umożliwiają

realizację jeszcze wielu innych rodzajów pracy.

Do tego celu wykorzystuje się zwykle specjalne

gniazdo wielostykowe, znajdujące się na tylnej pły−

cie zasilacza. Tak więc jest możliwe dołączenie do

odpowiednich wyprowadzeń tego gniazda napię−

cia zewnętrznego, służącego do sterowania napię−

ciem wyjściowym zasilacza (a także jego prądem)

według zależności Uwy = k Uzewn. Jest to przykład

wykorzystania zasilacza jako wzmacniacza prądo−

wego o dużym wzmocnieniu ponieważ zasilacz po−

biera ze źródła zewnętrznego prąd rzędu 1mA a przez

obciążenie dołączone do zacisków wyjściowych

zasilacza płynie prąd rzędu np. kilku amperów. Współ−

czynnik stabilizacji zasilacza pracującego w takim

połączeniu jest określony wyłącznie przez dokład−

ność napięcia źródła zewnętrznego. Gdy w miejs−

ce źródła zewnętrznego włączy się przetwornik

analogowo−cyfrowy, to będzie możliwe sterowanie

napięcie wyjściowym zasilacza w sposób cyfrowy.

Jeszcze innym ciekawym rodzajem pracy reali−

zowanym przez nowoczesne zasilacze jest stero−

wanie napięcia wyjściowego za pomocą rezystora

zewnętrznego. Realizuje się to, umieszczając w w/w

gnieździe specjalny wtyk ze zworami. Zdjęcie wty−

ku powoduje rozwarcie odpowiednich połączeń. Regu−

lacja napięcia wyjściowego odbywa się wówczas we−

dług zależności Uwy = k R, gdzie wartość współczyn−

nika k zależy od wykonania odpowiednich połączeń.

Jeżeli układ badany potrzebuje napięcia zasila−

nia większego niż napięcie jakie może dostarczyć

jeden zasilacz, a jednocześnie jest do dyspozycji

drugi o takich samych parametrach, to można połą−

czyć zaciski wyjściowe obu zasilaczy szeregowo.

Całkowite maksymalne napięcie wyjściowe jest

wtedy dwukrotnie większe niż maksymalne napię−

cie wyjściowe jednego zasilacza. Maksymalny prąd

wyjściowy jest jednak równy maksymalnemu prą−

dowi tylko jednego zasilacza.

Gorzej wygląda sytuacja gdy jest potrzeba uzys−

kania więjszego prądu niż może dać jeden posia−

dany zasilacz. W takiej sytacji można połączyć za−

silacze równolegle. Całkowity prąd otrzymywany

z obu tak połączonych zasilaczy będzie dwukrot−

nie większy niż maksymalny prąd jednego z nich

przy maksymalnym napięciu równym maksymalne−

CZĘŚĆ 6

Zasilacze

Rys. 1. Schemat blokowy prostego zasilacza

stabilizowanego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/96

Miernictwo

mu napięciu każdego z zasilaczy. Jednak dodatko−

wo należy spełnić szereg warunków. Oba zasilacze

powinny dostarczać jednakowe napięcie. Gdy na−

pięcia te nie będą równe, to nastąpi przepływ tzw.

prądu wyrównawczego z zasilacza o wyższym na−

pięciu do zasilacza o napięciu niższym. Zasilacz

o napięciu wyższym może przejść wtedy na stabili−

zację prądową a jego napięcie wyjściowe zmniej−

szy się do napięcia wyjściowego drugiego zasila−

cza. Dlatego też przy takim połączeniu zasilaczy

należy wyrównać możliwie dokładnie ich napięcia

wyjściowe a przy dużych prądach doprowadzenia

do zasisków wyjściowych zasilaczy powinny mięć

tę samą długość. Ponadto włączanie i wyłączanie

obu zasilaczy powinno następować jednocześnie.

Łatwe łączenie (szczególnie równoległe) zasila−

czy jest możliwe jedynie w tzw. zasilaczach po−

dwójnych, zawierających dwa niezależne zasila−

cze. Wyposaża się je w funkcję nadążania (trac−

king) polegającą na tym, że napięcie wyjściowe

i prąd wyjściowy są takie same dla obu zasilaczy

składowych i regulowane za pomocą tylko jednego

pokrętła, osobnego dla regulacji napięcia i prądu.

Przy realizacji takiej funkcji, wykorzystywanej też

przy łączeniu równoległym zasilaczy, odłącza się

źródło napięcia odniesienia jednego z zasilaczy.

Napięciem wyjściowym obu zasilaczy steruje

wówczas tylko jedno źródło. Wymaga to oczywiś−

cie dokonania odpowiednich połączeń w układach

obu zasilaczy tj. połączyć zaciski wyjściowe źródła

napięcia odniesienia jednego zasilacza tj. sterują−

cego (master − układ nadrzędny) z miejscem dołą−

czenia źródła odniesienia drugiego zasilacza, ste−

rowanego (slave − układ podporządkowany).

Nowoczesne zasilacze to urządzenia sterowane

za pomocą mikroprocesora. Typowe pokrętła słu−

żące w konwencjonalnych zasilaczach do regula−

cji napięcia i prądu zastąpiono w nich klawiaturą,

często numeryczną. Zasilacze takie zamiast wskaź−

ników analogowych są wyposażone w wyświetla−

cze cyfrowe. Tańsze wykonania zasilaczy stosują

wskaźniki cyfrowe rypu LED, droższe natomiast,

wyświatlacze alfanumeryczne, ciekłokrystaliczne,

z podświetleniem. Na wyświetlaczach takich, op−

rócz ustawionych wartości napięcia i prądu wy−

jściowego (wyświetlanych jednocześnie i z poda−

niem jednostek) są też wyświetlane również komu−

nikaty np. o przekroczeniu ustawionego prądu czy

napięcia jak również o trybie pracy zasilacza np.

o włączonej funkcji nadążania. Napięcie oraz prąd

ograniczenia są w takich zasilaczach programowa−

ne tj. wprowadzane do jego pamięci za pomocą

klawiatury. Oprócz napięcia oraz tzw. ogranicze−

nia prądowego, tj. prądu maksymalnego, można

też niekiedy ustawić np. wartość prądu po przekro−

czeniu którego prąd wyjściowy spadnie do zera.

Warto też wspomnieć o zasilaczach typu Dual Ran−

ge, tzn. o zasilaczach mogących pracować w dwóch

zakresach napięć i prądów. Niech np. zasilacz ma

maksymalne napięcie wyjściowe U i maksymalny

prąd wyjściowy przy tym napięciu I. Jeżeli teraz bę−

dziemy stopniowo zmniejszać napięcie otrzymy−

wane na wyjściu zasilacza to w momencie osiągnięcia

napięcia wyjściowego równego U/2 maksymalny prąd

wyjściowy wzrośnie dwukrotnie tj. do wartości 2I.

Maksymalna moc zasilacza pozostanie niezmieniona.

Dużą wygodą dla użytkownika jest wyposażenie

zasilacza w gniazdo interfejsu szeregowego RS−

232C. Należy ono najczęściej do wyposażenia do−

datkowego zasilacza i jest montowane na specjal−

ne życzenie. Umożliwia ono sterowanie napięciem

i prądem zasilacza za pomocą komputera klasy PC,

jak również zbieranie informacji “zwrotnej” z zasi−

lacza. Dalszym udoskonaleniem tej funkcji użytkowej

jest gniazdo interfejsu GPIB. Umożliwia ono włączenie

zasilacza w cały system pomiarowy sterowany za po−

mocą komputera (o ile komputer jest wyposażony

w specjalną kartę). Za pomocą komputera można doko−

nywać również kalibracji zasilacza chociaż zasilacze

mogą być kalibrowane również z klawiatury.

Zastosowanie mikroprocesorów umożliwiło re−

alizację różnych pożytecznych funkcji. Za przy−

kład niech posłuży np.funkcja inteligentego chło−

dzenia. Przy dużych prądach pobieranych przez

obciążenie, w tranzystorach szeregowych zasila−

cza wydziela się duża moc i konieczne staje się za−

stosowanie chłodzenia. W konwencjonalnych za−

silaczach, jednocześnie z włączeniem za pomocą

specjalnego przycisku, najwyższego zakresu prą−

dowego, włączał się wentylator chłodzący tranzys−

tory szeregowe. Niezależnie czy pracowało się

przy małym prądzie pobieranym przez obciążenie

czy dużym wentylator pracował, co było często

męczące dla użytkownika, ze względu na jedno−

stajny szum dochodzący z wnętrza zasilacza.

W nowoczesnych zasilaczach ze sterowaniem

mikroprocesorowm, problem ten rozwiązano ina−

czej. Wentylator włącza się dopiero wtedy gdy moc

wydzielona w tranzystorach szeregowych zasila−

cza przekroczy pewną wartość progową.

Na zakończenie parę słów podsumowania tj. na

temat z jakimi zasilaczami można spotkać się aktu−

alnie na rynku. Najtańsze są zasilacze pojedyncze.

Najczęściej umożliwiają one regulację napięcia od

0 do 30V a prądu do 3A. Odczytu napięcia i prądu

dokonuje się na wskaźnikach analogowych, choć

coraz częściej spotyka się wskaźniki cyfrowe typu

LED. Cena zasilacza jest w dużym stopniu związa−

na z jego mocą tj. iloczynem maksymalnego napię−

cia i prądu wyjściowego. Bardziej zaawansowane

technicznie, są zasilacze sterowane mikroproceso−

rem. Jednak są one dość skomplikowane obsłudze

i nieodporne na uszkodzenie w wyniku np. przy−

padkowego “wejścia” w tryb kalibracji parametrów

zasilacza. Ponadto cyfrowa obróbka napięcia i prą−

du wyjściowego powoduje, że napięcie i prąd wy−

jściowe nie są regulowane w sposób ciągły lecz dys−

kretny (skokowy). Na przykład zasilacze serii LPS, pro−

dukowane przez firmę Meter, umożliwiają regulację

napięcia z rozdzielczością 10mV a prądu z rozdziel−

czością 1mA, co w pewnych zastosowaniach może być

niewystarczające. Takie zasilacze są produkowane

w wersji pojedynczej, pojedynczej z funkcją Auto Ran−

ge, podwójnej umożliwiającej łączenie szeregowe

i równoległe. Na szczególną uwagę zasługuje zasilacz

model LPS 305 produkowany przez wspomnianą już fir−

mę Meter. Składa się on właściwie z trzech zasilaczy

i umożliwia uzyskanie napięcia maksymalnego ±30V,

regulowanego od zera, prądu regulowanego od 0 do

±2,5A, a ponadto wyposażono go w niezależny zasi−

lacz napięcia nieregulowanego 5V. Napięcie wyjściowe

tego ostatniego zasilacza można przeprogramować na

napięcie 3,3V.

Leszek Halicki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: