1 Kondensator wygładzający w zasilaczu sieciowym Wielu z Was, przyszłych techników elektroników, korzysta, bądź samemu projektuje zasilacze sieciowe. Gotowy zasilacz można kupić, w którym wszystkie elementy dobrał konstruktor i sprawa rozwiązana. Natomiast ci, którzy sami chcą wykonać zasilacz muszą zadbać o jak najlepszą jakość wyprostowanego napięcia. Zasilacze, które przeznaczone są do sprzętu elektronicznego będącego w powszechnym użytku, jak również w zastosowaniach profesjonalnych, gdzie wspólna konstrukcja urządzenia wespół z zasilaczem, wymaga uzyskania najlepiej dopasowanego do siebie układu. W konstrukcji każdego zasilacza newralgiczną rolę pełni układ prostowniczy. Układ prostowniczy, popularnie prostownik, służy do przekształcania prądu zmiennego na prąd jednokierunkowy. Poza prostownikiem, w skład zasilacza elektronicznego wchodzi także transformator, odpowiedni filtr wygładzający, stabilizator oraz układy i elementy zabezpieczające. Napięcie, które występuje bezpośrednio na wyjściu układu prostowniczego wraz z obciążeniem rezystancyjnym posiada pulsacyjny charakter. Aby zmniejszyć tętnienia na obciążeniu, należy pomiędzy wyjście prostownika, a obciążenie dołączyć kondensator wygładzający. W niniejszym artykule zwrócono szczególną uwagę na dobór kondensatora wygładzającego. Filtr wygładzający służy do tłumienia tętnienia, czyli składowej zmiennej napięcia, które jest na wyjściu układu prostowniczego. Prostownik diodowy mostkowy jest zasilany ze źródła napięcia sinusoidalnego = sin. Może ono być zrealizowane jako uzwojenie transformatora. Patrz rysunek 1. Napięcie wyjściowe prostownika oznaczono jako u 2 (t), napięcie na transformatorze na wejściu zasilacza oznaczono jako e(t). Rysunek 1. Prostownik mostkowy zasilany ze źródła napięcia sinusoidalnego z wbudowanym kondensatorem wygładzającym Diody prostownika mogą przewodzić prąd parami; D1, D3 lub D2, D4. Warunkiem przejścia pary diod D1, D3 w stan przewodzenia jest osiągnięcie, przez dodatnią połówkę napięcia źródła e(t), wartości chwilowej większej od wartości chwilowej napięcia wyjściowego u 2 (t). Warunkiem przejścia pary diod D2, D3 w stan przewodzenia jest osiągnięcie, przez ujemną połówkę napięcia źródła e(t), wartości chwilowej mniejszej od ujemnej wartości chwilowej napięcia wyjściowego. Powyższe uwagi dają się następująco uogólnić: Jedna para diód, D1, D3 lub D2, D4 znajduje się w stanie przewodzenia, jeżeli chwilowa wartość bezwzględna napięcia źródła jest większa od wartości chwilowej napięcia wyjściowego;. W tym stanie pracy kondensator jest ładowany sinusoidalnym napięciem źródła e(t). Wszystkie cztery diody są w stanie nieprzewodzenia, jeżeli chwilowa wartość bezwzględna
2 napięcia źródła jest mniejsza od wartości chwilowej napięcia wyjściowego; <. W tym stanie kondensator rozładowuje się przez rezystor. Przebieg napięcia u 2 (t) jest wówczas ze stałą czasową =. Na Rysunku 2 pokazano stan przewodzenia i nieprzewodzenia poszczególnych diód. Rysunek 2. Stan przewodzenia i nieprzewodzenia par diód D1 i D3 oraz D2 i D4. Na Rysunku 3 przestawiono przebiegi czasowe napięć i prądów w prezentowanym układzie. Oznaczenia przebiegów odpowiadają oznaczeniom na schematach, podanych na Rysunkach 1 i 2.
3 Rysunek 3. Przebieg napięcia na wyjściu prostownika u 2 (t), prądu i, jako sumy prądów wypływających z układu diód, prądu kondensatora i C (t), prądu wyjściowego prostownika i 2 (t) oraz prądu ze źródła i 1 (t).
4 Z powyżej przedstawionych wykresów przebiegów napięć i prądów można wywnioskować, że wartość średnia napięcia wyjściowego U 2śr zależy od wartości stałej czasowej τ = R C. Od jej wartości zależy bowiem szybkość rozładowywania się kondensatora przez rezystor R. Z Rysunku 3 wynika że, jeżeli stała czasu τ = R C zwiększa się, to zwiększa się wartość średnia napięcia wyjściowego U 2śr. Dla projektowania zasilaczy diodowych może okazać się przydatny wykres na Rysunku 4 przedstawiający zależność względnej wartości średniej napięcia wyjściowego ś od wartości parametru =, gdzie =2 jest pulsacją sinusoidalnego napięcia zasilającego. Dla zasilaczy sieciowych f = 50Hz. Z wykresu można odczytać, że dla zapewnienia 5-procentowego spadku wartości średniej napięcia wyjściowego należy zapewnić parametr >25 Jest to ogólnie znany wzór warsztatowy dla doboru pojemności kondensatora wygładzającego. Rysunek 4. Wykres zależności względnej wartości średniej napięcia wyjściowego ś od wartości =. Przykład: Dobrać pojemność kondensatora wygładzającego w zasilaczu sieciowym o napięciu wyjściowym znamionowym U 2śrN = 24V i wyjściowym prądzie znamionowym I 2śrN = 3A. Należy przewidzieć możliwość 10-procentowego przeciążenia.
5 Rezystancja przy obciążeniu znamionowym: = ś! = #$ =8Ω " ś! %& Rezystancja minimalna obciążenia przy przeciążeniu: () =0,9 =7,2Ω Pojemność kondensatora wygładzającego:. = /.01 23 4 567. /.01 23 8,Ω =11: Należy więc dobrać trzy kondensatory elektrolityczne połączone równolegle o pojemnościach 4700μF. Pojemność tak dobranego kondensatora: =3 4700=: =14100=: = 14,1 mf Minimalna stała czasu obwodu RC: () = () =7,2Ω 14100 10 >? : =101,5@ Parametr ω τ min dla f = 50 Hz: () =2 50@ >A 101,5 10 >% =31,9 Dla tej wartości ω τ min odczytujemy z wykresu względną wartość średnią napięcia wyjściowego: ś =0,96 Jeżeli wartość średnia napięcia wyjściowego ma wynosić U 2śr = 24V, to amplituda sinusoidalnego napięcia wejściowego powinna być: = ś 0,C? =25D Wartość skuteczna napięcia uzwojenia transformatora zasilającego: = =17,7D Opracowała: Jadwiga Balicka