Zasilacz – a właściwie sieciowy zasilacz prądu stałego - to urządzenie elektroniczne, przekształcające energię prądu przemiennego, z sieci elektrycznej, na energię prądu stałego, właściwą do zasilania większości układów elektrycznych, w obrębie danej mocy.

Zasilacze służą do ładowania baterii naszych telefonów komórkowych, czy laptopów. Znajdują zastosowanie w zasilaniu wszelkich urządzeń elektronicznych czy napędów silników elektrycznych małej mocy. W istocie stały się elementem każdego układu automatyki i sterowania.

Podział zasilaczy

• zasilacze liniowe (transformatorowe) mogą być wyposażone w stabilizator o działaniu ciągłym,
• zasilacze wyposażone w stabilizator impulsowy, które nazywane są popularnie zasilaczami impulsowymi.

Zasilaczem o najprostszej konstrukcji jest zasilacz liniowy niestabilizowany. Składa się on z transformatora sieciowego, dwu połówkowego prostownika diodowego (mostek Graetza) oraz kondensatora elektrolitycznego, będącego filtrem wyjściowym. Zadaniem transformatora jest zmiana napięcia wejściowego do wartości wymaganej oraz zapewnienie separacji galwanicznej między wejściem a wyjściem. Po wyprostowaniu przez mostek Graetza otrzymujemy napięcie stałe, jednak jego wadą są duże tętnienia, które są wygładzane przez filtr.

Zasilacz liniowy stabilizowany posiada taką samą budowę jak zasilacz niestabilizowany, jest jednak dodatkowo wyposażony w układ regulacji, stabilizujący napięcie wyjściowe na zadanym poziomie.

Budowa, jak i zasada działania zasilacza impulsowego jest inna i znacznie bardziej skomplikowana niż zasilaczy liniowych.

W pierwszej kolejności napięcie sieciowe jest prostowane i przetwarzane na napięcie stałe. Układ modulacji szerokości impulsów PWM (ang. pulse width modulation) generuje napięcie o częstotliwości 50 - 200 kHz. Umożliwia to znaczną redukcję strat w miedzi, ponieważ liczba zwojów transformatora maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Napięcie wtórne jest prostowane, filtrowane, po czym zostaje przekazane bezpośrednio na obciążenie. W celu stabilizacji napięcia mierzony jest prąd i napięcie wyjściowe i odpowiednio zmienia się współczynnik wypełnienia przebiegu sterującego kluczem po pierwotnej stronie transformatora. Kluczowanie po stronie pierwotnej (ang. primary switching), gdzie jest duża częstotliwość, wymaga mniejszego transformatora w porównaniu z transformatorem na 50 Hz.

Z uwagi na charakteryzujące je parametry - małe tętnienia napięcia, wysoką sprawność, bardzo dobry poziom stabilizacji napięcia, małe rozmiary i waga oraz niskie straty cieplne - zasilacze impulsowe zdobywają coraz szersze zastosowanie, wypierając stare technologie liniowe (transformatorowe).

Właściwości pracy zasilaczy liniowych nie są wystarczające do zapewnienia odpowiedniego działania nowoczesnych układów elektronicznych.

Można stwierdzić, że od prawidłowego doboru urządzenia zasilającego zależy praca całego układu. Np. przy zakupie komputera zwracamy szczególną uwagę na parametry procesora, karty pamięci, pojemności dysku. Skutkiem zastosowania zasilacza zbyt małej mocy i niskiej jakości, może być zniszczenie nawet najlepszych podzespołów.

Dla zasilaczy impulsowych najgorsze warunki pracy występują przy pełnym obciążeniu i minimalnym napięciu wejściowym. W takich warunkach tętnienia osiągają maksymalny poziom, a jakość stabilizacji napięcia DC jest najgorsza. Niemniej jednak w zasilaczach wysokiej klasy przy pracy w tak trudnych warunkach, wartości tętnienia i stabilizacja muszą mieścić się w dopuszczalnych granicach. Musimy jednak pamiętać, że poziom znamionowego napięci sieciowego może niekiedy znacznie przekraczać dopuszczalną tolerancję. Aby więc uchronić się przed uszkodzeniem całego układu, należy przede wszystkim dobrać zasilanie wysokiej jakości - z pewnością za takie można uznać zasilacze firmy DELTA (fot.1 i 2), bezwzględnie spełniające normy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Należy również zawsze przyjmować moc zasilacza wyższą od zapotrzebowania odbiornika.

Spełnienie wszystkich wymaganych norm EMC przez zasilacz nie gwarantuje nam właściwej pracy całego systemu. Warto przestrzegać poniższych wskazówek:

• Przewody wejściowe i wyjściowe powinny być możliwie krótkie, prowadzone po liniach prostych.
• Przewody wejściowe L, N i PE powinny być skręcone.
• Przewód ochronny powinien być jak najkrótszy, najlepiej o maksymalnym dozwolonym przekroju (duża powierzchnia oznacza małą impedancję dla zaburzeń wysokich częstotliwości - zjawisko naskórkowości).
• Do połączeń [+] i [-] wyjścia należy używać skrętki.

Zasilanie diod LED

Pojedyncza dioda świecąca emitująca światło widzialne ma typowe napięcie przewodzenia oznaczane najczęściej jako VF typ lub po prostu VF od ok. 1,7 V (diody czerwone) do ok. 4 V (diody fioletowe). Generalnie im większa długość fali emitowanego światła tym mniejsze napięcie przewodzenia. Białe LED-y, które są najczęściej zbudowane na bazie diody niebieskiej i luminoforu mają typowe napięcie przewodzenia z przedziału 3,1 - 3,4 V. Typowe napięcie przewodzenia określone jest jako wartość napięcia przyłożonego do diody w kierunku przewodzenia, które powoduje w temperaturze pokojowej przepływ nominalnego prądu pracy diody IF. Oczywiście dioda zaczyna przewodzić prąd przy przyłożonym w kierunku przewodzenia napięciu VF_min nieco niższym od typowego napięcia przewodzenia i potrafi działać przy napięciach nieco wyższych niż typowe napięcie przewodzenia (VF_max). Poniżej napięcia VF_min dioda nie przewodzi prądu (i oczywiście nie świeci), powyżej – wzrost płynącego przez diodę prądu i co za tym idzie wzrost mocy traconej na złączu diody powoduje wzrost temperatury złącza do wartości, przy której ulega ono zniszczeniu (przepalaniu).

W przedziale napięć pomiędzy VF_min i VF_max charakterystyka prądowo-napięciowa diody ma bardzo nieliniowy, ekspotencjalny charakter. W związku z tym bardzo niewielka zmiana napięcia przyłożonego do złącza diody powoduje bardzo dużą zmianę płynącego przez nią prądu. Ta właściwość diod ma zasadnicze znaczenie dla projektowania układów zasilania LED-ów. Dodatkową trudność wprowadza zależność płynącego przy danym napięciu przewodzenia prądu od temperatury złącza – wraz ze wzrostem temperatury wartość prądu również rośnie.

Te fakty powodują, że najbezpieczniejszym sposobem zasilania LED-ów jest użycie tzw. źródeł prądowych, czyli zasilaczy, które mają stabilizowany prąd wyjściowy. Drugim powszechnie stosowanym sposobem jest zasilania napięciowe (czyli przy użyciu zasilacza o stabilizowanym napięciu) w układzie z rezystorem szeregowo połączonym z diodą LED. Rezystor, który zgodnie z prawem Ohma posiada liniową charakterystykę prądowo- napięciową spełnia role kompensatora i nie dopuszcza do nadmiernego wzrostu prądu płynącego przez układ przy wzroście napięcia zasilającego lub temperatury.

Zasilanie prądowe stosuje się z reguły do diod większych mocy, posiadających nominalny prąd pracy powyżej 100 mA, typowo 220, 350, 700 mA lub 1 A. Zasilacze prądowe, aby dostarczyć diodom odpowiedniego prądu, zmieniają swoje napięcie wyjściowe od kilku do nawet kilkudziesięciu woltów. Diody, moduły diodowe czy oświetlacze diodowe dedykowane do zasilania prądowego mają podany przez producenta nominalny prąd zasilania i moc, nie podaje się w ich przypadku napięcia zasilania. Takie elementy łączy się do zasilacza prądowego w sposób szeregowy, a zasilacz pod stopniowo coraz większym obciążeniem stabilizując prąd, zwiększa jednocześnie wyjściowe napięcie.

Zasilanie napięciowe stosuje się typowo do takich odbiorników LED jak taśmy LED, moduły wielodiodowe czy diodowe zamienniki halogenów (te ostatnie są często wyposażane w układ prostowniczy i można do nich stosować zasilacze o napięciu przemiennym).

Najbardziej powszechne na rynku są produkty zasilane napięciem 12 V. Są one z reguły skonstruowane tak, że zawierają układy 2, 3 (najczęściej) lub 4 diod połączonych szeregowo i szeregowo z nimi połączonego odpowiedniej wielkości rezystora. Takie szeregi łączy się do zasilacza napięciowego równolegle.

Istnieje również cała gama LED-owych produktów, które zasila się napięciem sieciowym 230 V AC. W przeważającej większości przypadków te produkty zawierają po prostu odpowiedni zasilacz, prostujący i zmieniający napięcie na niższe. Firma Soeul Semiconductors wprowadziła kilka lat temu na rynek rodzinę diod Acriche, które są zasilane bezpośrednio napięciem sieciowym. Istotą tego pomysłu jest konstrukcja diody, która w rzeczywistości zawiera zespół kilkudziesięciu złącz LED połączonych szeregowo, po połowie w obu kierunkach przewodzenia i zamkniętych we wspólnej obudowie. Taki zespół diod wraz z dodatkowymi elementami rezystancyjnymi rozkłada między siebie całe napięcie sieciowe do poziomu odpowiedniego do zasilenia pojedynczej diody.

Osobnym, niebanalnym zagadnieniem technicznym związanym z zasilaniem diod LED jest kwestia ściemniania diod. Ilość światła emitowanego przez LED jest proporcjonalna do prądu przez nią płynącego. Prąd można zmienić albo poprzez zmianę podawanego napięcia, albo poprzez modulację stałego napięcia zasilania. Pierwszy sposób jest rzadko stosowany głównie dlatego, że zasilacze impulsowe z reguły stosowane do zasilania diod są tak skonstruowane, że ich napięcia wyjściowego nie można regulować poprzez zmianę napięcia wejściowego. Dlatego zdecydowanie częściej stosuje się ściemniacze bazujące na układach modulacji szerokości impulsu PWM (Pulse Width Modulation). Idea PWM jest taka, że stałe napięcie wyjściowe moduluje się z częstością kilkuset Hz lub kilku kHz i uzyskuje się zmiany płynącego na wyjściu prądu poprzez zmianę czasu trwania w stanie włączonym (wypełnienia). Trudnością, jaka pojawia się przy takim sposobie ściemniania jest fakt, że potrzebujemy jakiegoś sposobu dostarczenia do sterownika PWM informacji o żądanej wielkości wypełnienia. Najczęściej stosuje się albo dodatkowy zespół przynajmniej 2 kabli, co z reguły wymaga poważnych przeróbek istniejących już instalacji elektrycznych albo stosuje się sterowniki obsługiwane przez piloty radiowe lub IR, co nie jest wygodne w instalacjach domowych a już szczególnie w obiektach handlowych, przemysłowych czy użyteczności publicznej. Ostatnio firma Alled wprowadziła jednak na rynek sterownik, z którym można się skomunikować za pomocą zwykłego przełącznika dzwonkowego zamontowanego na tym samym kablu zasilającym do którego podłączony jest dany zasilacz, a więc bez konieczności dokładania dodatkowych przewodów.

Leszek Świerzbin

---