Budujemy zasilacz sieciowy stabilizowany używany do zasilania termoregulatorów
Tadeusz Kazimierz Biliński
Warunkiem niezbędnym, zapewniającym prawidłowe działanie termoregulatora, jest użycie do jego zasilania stałego napięcia stabilizowanego otrzymywanego z zasilacza sieciowego stabilizowanego. Tylko przy takim zasilaniu można uzyskać właściwy dla danego termoregulatora jego stopień czułości. Czytelnicy, którzy zbudowali termoregulator przedstawiony przeze mnie w artykule, zamieszczonym w nr 1(49) z 1979 r. czasopisma „Akwarium”, prosili mnie w swoich listach o wyjaśnienie przyczyny pulsacji układu, objawiającej się samoczynnym włączaniem i wyłączaniem się przekaźnika pod wpływem np. włączenia światła, innych grzałek itp. Informuję, że poważne objawy pulsacji mogły wystąpić tylko w przypadku zasilania termoregulatora napięciem niestabilizowanym. W punkcie 17 mojego opracowania pt. „Uwagi i wyjaśnienia” dotyczące mojego artykułu pt. „Układ utrzymywania stałej temperatury na zadanym poziomie” informowałem o potrzebie szerszego omówienia, w późniejszym terminie, tego problemu. Termoregulator z racji swego przeznaczenia jest urządzeniem czułym, reagującym nie tylko na zmiany temperatury wody, w której to znajduje się jeden z jego elementów – termistor, ale również na wszelkie zmiany (nawet minimalne) napięcia zasilającego jego układ. Te dwa czynniki (zmiany temperatury wody i zmiany napięcia zasilającego) powodują natychmiastową reakcję układu objawiającą się zadziałaniem przekaźnika tzn. jego włączeniem lub wyłączeniem. W wyniku powyższego zdarza się, że np. w danej chwili temperatura wody. jest równa temperaturze zadanej (tzn., że układ jest w stanie równowagi) i nagle zaczyna pulsować przekaźnik włączając się i wyłączając na przemian. Spowodowane jest to wtedy nagłą zmianą (niedużym wahnięciem) napięcia zasilającego układ termoregulatora. Zmiana temperatury wody i idąca za tym zmiana oporności termistora powoduje odchylenie układu ze stanu równowagi i zmianę wielkości jego napięć wewnętrznych – wynikiem czego jest zadziałanie przekaźnika. Zmiana wielkości (nawet nieznaczna) napięcia zasilającego układ powoduje również odchylenie układu ze stanu równowagi, zmianę napięć wewnętrznych i zadziałanie przekaźnika. Aby więc unikać pulsacji i zapewnić prawidłowe działanie układu, należy go bezwzględnie wyposażyć w zasilacz sieciowy stabilizowany, z którego to będziemy otrzymywać stałe, nie ulegające zmianom napięcie. Zasilacz sieciowy jest urządzeniem złożonym z transformatora prostownikowego, układu prostowniczego oraz elementów zabezpieczających, sygnalizujących i sterujących przeznaczonych do przekształcania prądu zmiennego w prąd stały. Rozróżnia się zasilacze sieciowe niestabilizowane oraz stabilizowane. Zasilacz sieciowy stabilizowany jest urządzeniem posiadającym, oprócz transformatora oraz prostownika, również elementy regulacyjne, utrzymujące na jego wyjściu stałą wartość napięcia wyjściowego lub prądu wyprostowanego, niezależnie od zmian jego napięcia zasilającego oraz od zmian obciążenia. Otrzymane napięcie stałe jest stabilizowane i dobrze odfiltrowane – bez przydźwięków (tętnień).
Napięcie wyjściowe prostych zasilaczy sieciowych składających się tylko z transformatora, prostownika i kondensatora wygładzającego jest niestabilne i zawiera przydźwięk. Poniżej przedstawiam schematy ideowe trzech zasilaczy sieciowych stabilizowanych, odpornych na zwarcie, posiadających jedno lub dwa odseparowane wyjścia oraz zbudowanych na tranzystorze lub na układzie scalonym. Wszystkie trzy zasilacze wykonałem i działają poprawnie. Schematy ideowe zasilaczy ze stabilizacją otrzymywaną w oparciu o układ scalony przedstawiam nie tylko dlatego, aby iść z duchem czasu, ale głównie dlatego, że zapewniają one wysoką jakość stabilizacji. Główną częścią składową zasilacza jest transformator spełniający dwie funkcje. Po pierwsze, przetwarza on na zasadzie indukcji elektromagnetycznej wysokie zmienne napięcie sieci (U1 = 220 V) na niskie zmienne napięcie o żądanej wielkości (U2), a po drugie – oddzielając galwanicznie sieć od obwodu wyjściowego, chroni akwarystę przed niebezpiecznym porażeniem prądem. Do naszych celów odpowiedni jest duży transformator dzwonkowy, którego jedno z uzwojeń wtórnych jest 12 V, a prąd obciążenia jest równy 2 A. Napięcie wyjściowe 12 V, uzyskane z transformatora, jest napięciem zmiennym, a więc nie nadaje się do zasilania układów tranzystorowych. Wobec tego musi ono zostać przetworzone na napięcie stałe, stabilizowane z dobrze odfiltrowanymi tętnieniami, przy czym dobrze byłoby, gdyby zasilacz był odporny na zwarcie. Przetwarzanie napięcia zmiennego na napięcie stałe realizowane jest w układzie prostowniczym – tzw. prostowniku. Obecnie najczęściej stosowanym (w układach elektronicznych) układem prostownikowym jest mostkowy układ Graetza złożony z czterech diod prostowniczych. Stabilizacja napięcia stałego oraz filtracja tętnień realizowana jest w dalszej części zasilacza, złożonego z kondensatorów i układu scalonego lub kondensatorów, oporników, diody Zenera oraz tranzystora. Rysunek nr 1 przedstawia schemat ideowy zasilacza sieciowego stabilizowanego z układami scalonymi o dwóch odseparowanych wyjściach przystosowanego do zasilnia termoregulatora.
Parametry elektryczne zasilacza przedstawiają się następująco: 1. napięcie zmienne wyjściowe (w punktach A-B) – 12 V, max… 18 V (z transformatora), 2. prąd wyjściowy dopuszczalny (w punktach A-B) -2A, 3. napięcie wyjściowe (I i II) – 11,4 …12,6 V, (napięcie wyjściowe przyjmuje określoną wartość z przedziału 11,4 …12,6 V, zależnie od egzemplarza układu scalonego, jest jednak stabilne. Jest to zakres tolerancji produkcji układów scalonych), 4. prąd wyjściowy (I-II) – 500… …700 mA, 5. prąd wyjściowy zwarciowy (I-II) – 100 mA, 6. stabilność napięcia (różnica mię dzy stanem jałowym, a pełnym obcią żeniem) – lepsza niż 1%, 7. tętnienia – mniejsze niż 0,1 mV.
Wykaz części zasilacza: 1. transformator – transformator TS30/10/676 stosowany w gramofonie WG-580f (111-2 = 220 V, U10-11 = = 12,1 V), 2. diody prostownicze D1…D4 – dioda krzemowa prostownicza typu BYP 401-50 – 4 sztuki, 3. układ scalony I, i l2 – scalone stabilizatory napięcia typ UL7512L (CE- Ml – Polska), lub LO36 (SGS), albo też TDB7812 (Siemens) – 2 sztuki, 4. kondensatory d, C2, C3 – kondensator elektrolityczny 4700 µF/ /25 V – 3 sztuki, Rozmieszczenie elementów na płytce zasilacza przedstawia rys. 2, a sposób prowadzenia połączeń zasilacza rys. 3. Układy scalone pracują poprawnie dla stosunkowo dużego zakresu napięć wejściowych (punkty A-B na rys. 1) 14,0 …27 V, dając wysoce stabilne wolne od tętnień napięcie wyjściowe (I-II) 12 V (min 11,4 V, max 12,6 V). Wyjście układu scalonego jest odporne na zwarcie. Dopuszczalny prąd wyjściowy wynosi ok. 0,75 A. W przypadku przeciążenia lub zwarcia wyjścia układu, prąd wyjściowy zostaje obniżony do ok. 100 mA, dzięki zastosowaniu wewnątrz układu odpowiedniego stopnia przełączającego. Chroni to przed zniszczeniem zarówno sam układ scalony, jak również prostownik i transformator. Każdy z układów pozwala uzyskać osobne, odseparowane wyjście, dające napięcie zasilania wynoszące 12 V. Napięcie uzyskane z transformatora jest prostowane za pomocą pełnookresowego prostownika mostkowego złożonego z 4 diod D1…D4. Do wyjścia prostownika dołączony jest kondensator Ct wygładzający przebieg napięcia. Kondensator Ć, ładuje się do szczytowej wartości napięcia pulsującego wynoszącej:
12×1,4=16,8 V.
To napięcie doprowadzone jest do końcówki wejściowej (We) układu scalonego. Wartość napięcia uzyskanego na końcówce wyjściowej (Wy) wynosi 12 V. Do każdego z wyjść zasilacza dołączony jest elektrolityczny kondensator blokujący (C2 i C3) o dużej pojemności.