Różnica między zasilaczami impulsowymi a standardowymi: cechy i różnice

Zdecydowana większość współczesnej elektroniki pracuje na prądach stałych o niskim natężeniu i napięciu. Na przykład routery pobierają napięcie 12 V i 5 A, podczas gdy smartfony przeważnie pobierają napięcie 5 V i 2 A. W domowej sieci elektrycznej dostępny jest tylko zupełnie inny rodzaj prądu – 60Hz AC, 220 V i (zazwyczaj) do 6 amperów.

W związku z tym, aby używać urządzeń elektronicznych w obwodzie domowym, prąd ten musi być w jakiś sposób przekształcony. Do tego właśnie służą zasilacze. Służą one do przetwarzania prądu na określone napięcie, natężenie prądu oraz częstotliwość (przekształcanie prądu zmiennego w stały).

A jeśli chodzi o wybór odpowiedniego zasilacza lub samodzielne zbudowanie go, to dwie najczęściej spotykane opcje to konwencjonalny zasilacz transformatorowy i zasilacz impulsowy. A na czym polega różnica, poza złożonością strukturalną, nie zawsze jest jasne. Tak więc w tym artykule przyjrzymy się różnicom pomiędzy zasilaczami impulsowymi a konwencjonalnymi, oraz zbadamy ich cechy i różnice.

Zwykłe zasilacze (typu transformatorowego)

Zasilacz transformatorowy jest jednym z pierwszych urządzeń przetwarzających energię elektryczną. Są one typu analogowego, mają prostą konstrukcję i są stosunkowo wytrzymałe. Mają one jednak również kilka poważnych wad, jak np. zbyt duże wymiary.

Transformator jest głównym elementem funkcjonalnym takich zasilaczy. Składa się on z dwóch cewek indukcyjnych. Pierwsza tkanina jest zasilana prądem z sieci domowej 220 V i wytwarza pole elektromagnetyczne. Wywołuje on indukcję i tworzy siłę elektromotoryczną na drugim urządzeniu. Dzięki temu napięcie jest utrzymywane na minimalnym poziomie.

Prąd elektryczny wytworzony na cewce redukcyjnej jest następnie podawany do prostownika. Zwykle składa się z kilku diod mocy w układzie mostkowym. Kondensator połączony równolegle z mostkiem diodowym służy do wygładzania pulsujących napięć, a następnie tranzystory mocy stabilizują je.

W efekcie na wyjściu powstaje prąd stały o określonym napięciu i natężeniu. Do regulacji jego parametrów służą specjalne rezystory strojeniowe, wchodzące w skład obwodu stabilizacyjnego.

Konwencjonalne zasilacze (typu transformatorowego) charakteryzują się maksymalną prostotą konstrukcji. Na schemacie urządzenia elementarnego znajdują się tylko trzy szczegóły: układ cewek, mostek diodowy i kondensator.

Kluczowe zalety konwencjonalnych jednostek napędowych:

1. Łatwy montaż i konstrukcja. Możesz skonstruować zasilacz o wymaganej mocy, jeśli tylko rozumiesz sposób jego działania i wiesz dokładnie, do czego będziesz go używał;

2. Wysoka niezawodność i trwałość. Przy prawidłowej eksploatacji mogą działać praktycznie bez końca. Tak więc, dziś nadal można znaleźć działające modele wyprodukowane ponad kilkadziesiąt lat temu;

3. Dostępność komponentów. Wszystkie niezbędne części można nabyć na giełdach radiowych, u radioamatorów i w specjalnych sklepach, nie jest konieczne zamawianie konkretnych układów z zagranicy;

4. Nie wytwarza żadnych zabłąkanych prądów fal radiowych. Praktycznie eliminuje to zakłócenia pochodzące z sieci lub od konsumentów.

Główne wady konwencjonalnych zasilaczy to

1. Niska wydajność. Gdy energia elektryczna jest przesyłana metodą transformatorową, ogromna ilość mocy jest po prostu tracona. Ponadto, pewna sprawność jest dodatkowo tracona ze względu na zastosowanie stabilizatora na wyjściu w celu uzyskania stabilnych parametrów pracy;

2. Duży rozmiar. Im mocniejszy jest zasilacz, tym większa jest jego waga i wymiary. W konsekwencji, te o dużej mocy mogą mieć w ogóle małą mobilność;

3. Wytwarzają one znaczne pole elektromagnetyczne. Mogą powodować zakłócenia w innych liniach sygnałowych – np. w kablach koncentrycznych lub skrętkach.

Wszystkie te wady okazują się na tyle istotne, że konwencjonalne zasilacze są dziś rzadko stosowane w domach. Zamiast tego, są zasilane impulsami.

Zasilacze impulsowe

Zasilacze impulsowe mają złożoną konstrukcję i są urządzeniami typu inwerterowego. Ich kluczową różnicą w stosunku do konwencjonalnych jest to, że napięcie wejściowe jest podawane bezpośrednio do prostownika. Następnie generuje impulsy o określonej częstotliwości. Odpowiada za to osobny podsystem sterowania, dzięki czemu zasilacze impulsowe są kompletnym urządzeniem cyfrowym.

Ponieważ zasilacze impulsowe mają skomplikowaną budowę i zasadę działania, rozpatrywanie ich obwodów w tym artykule nie ma sensu.

1. Prąd z sieci jest doprowadzany do tłumika przepięć, minimalizując zniekształcenia przed i za nim;

2. Falownik przekształca prąd zmienny o sinusoidalnym kształcie w impulsowy prąd stały;

3. Falownik, który jest monitorowany przez moduł sterujący, generuje prostokątne sygnały wysokiej częstotliwości z pulsującego prądu stałego;

4. Prąd podawany jest do transformatora impulsowego, który zasila poszczególne elementy samego zasilacza, jak i obciążenie;

5. Prąd jest następnie podawany do prostownika wyjściowego i wygładzany przez filtr wyjściowy.

System ten zapewnia nie tylko wysoką wydajność, ale również niewielkie wymiary urządzenia. Należy pamiętać, że im wyższa częstotliwość impulsów, tym bardziej kompaktowy będzie zasilacz ze względu na zmniejszenie rozmiaru transformatora.

Najważniejsze zalety zasilaczy impulsowych:

1. Wysoka sprawność, zwykle około 98%. Niewielkie straty są spowodowane stanami przejściowymi podczas uruchamiania wyłącznika. Są one jednak zbyt małe, by brać je pod uwagę;

2. Kompaktowe rozmiary i niewielki ciężar. Dzieje się tak dlatego, że zasilacze impulsowe nie wymagają masywnego transformatora.

Najważniejsze wady zasilaczy impulsowych:

1. Złożoność projektu. Różnice między tymi dwoma rodzajami zasilaczy można porównać, aby określić, który jest lepszy w danej sytuacji;

2. Znaczne nagrzewanie się podczas pracy. Zasilacze impulsowe dużej mocy są więc wyposażone w dodatkowe układy chłodzenia, które zwiększają rozmiary i wagę urządzenia;

3. Obecność hałasu o wysokiej częstotliwości. W związku z tym do stosowania w czułych urządzeniach takie zasilacze są wyposażone w filtr szumów, ale nawet on nie daje 100% ochrony przed takim „śmieciowym sygnałem”;

4. Moc znamionowa obciążenia musi mieścić się w zakresie znamionowym. Jeśli zostanie ona przekroczona lub zaniżona, wystąpią zmiany w napięciu wyjściowym. Generalnie producenci przewidują to zjawisko i instalują zabezpieczenia przed takimi nietypowymi sytuacjami.

Kompaktowe rozmiary i wysoka sprawność sprawiły, że zasilacze impulsowe stały się bardzo popularne. Są one obecnie stosowane w ładowarkach akumulatorów do elektroniki mobilnej, komputerów, urządzeń domowych, a także w statecznikach elektronicznych do opraw oświetleniowych.

Porównanie zasilaczy impulsowych i konwencjonalnych

Porównajmy te dwa typy urządzeń, aby określić, które z nich lepiej stosować w tej lub innej sytuacji.

Wszystkie inne rzeczy są równe, procesory impulsowe są lepsze. Oferują one wyższą wydajność i ważą zaledwie kilkadziesiąt gramów. Jednak w niektórych aplikacjach precyzyjnych lepiej jest stosować modele konwencjonalne (transformatorowe), ponieważ nie zatykają one sygnału wyjściowego zakłóceniami.