W świecie prądów i napięć - Zasilacze w urządzeniach audio

2010-08-30
W świecie prądów i napięć - Zasilacze w urządzeniach audio

Tak już skonstruowany jest nasz świat, że aby wyjąć, trzeba najpierw włożyć. Bez zasilania nie działa nic. Samochody potrzebują paliwa, rowery energii naszych mięśni, zaś my jedzenia. Ale nie dobrodziejstwa sztuki kulinarnej będą tematem mojego rozważania i nie chcę debatować o wysublimowanych smakach i zróżnicowanych pojemnościach naszych żołądków, a o zasilaniu układów elektronicznych, do których zalicza się szeroko pojęty sprzęt audio.

Wzmacniacze mocy, konsolety, procesory i instrumenty elektroniczne nie będą pracować bez zasilaczy sieciowych. Ktoś zapyta, dlaczego nie można załączyć urządzenia wprost do sieci - byłoby prościej i taniej. No więc nie można, ponieważ nie pozwala na to przede wszystkim technologia wykonania większości komponentów elektronicznych i fakt potrzeby zasilania układów napięciem stałym, często o dużo niższym napięciu niż napięcie sieci, oraz względy bezpieczeństwa.


NAPIĘCIA W SPRZĘCIE ELEKTRONICZNYM

Jeżeli prześledzimy układy elektroniczne stosowane w elektroakustyce, zauważymy, że napięcia zasilające wzmacniacze mocy mogą osiągać wartości rzędu nawet kilkudziesięciu woltów, ale już zasilanie przedwzmacniaczy często nie przekracza wartości 36 V, to znaczy zasilania symetrycznego +/- 18 V. Jeżeli mówić będziemy o zasilaniu układów mikroprocesorowych, często spotkamy się z napięciem o wartości +5 V, typowym dla szeregu popularnych mikrokontrolerów.

Schematy ideowe zasilaczy: klasycznego, liniowego (z lewej) oraz impulsowego.

Oczywiście, układy wykonawcze takich systemów mikroprocesorowych często zasilane są z napięcia wyższego, niż 5 lub 3,3 V, jednak już widać, że funkcja obniżania napięcia przez zasilacz sieciowy jest podstawowa. Mówiąc natomiast o bezpieczeństwie mam na myśli nie tylko niskie napięcia wyjściowe, ale przede wszystkim odizolowanie galwaniczne układów elektronicznych urządzenia od sieci napięcia przemiennego. Oczywiście, zdarzają się układy zasilaczy, które separacji galwanicznej nie zapewniają, lecz w zastosowaniach akustycznych takich rozwiązań się nie stosuje. Zacznijmy może jednak od początku czyli od definicji:


ZASILACZA SIECIOWEGO

Zasilacz sieciowy jest urządzeniem elektronicznym, mającym na celu zamianę prądu przemiennego sieci na prąd stały oraz odpowiednie obniżenie wartości napięcia. W zależności od konstrukcji oraz specyfiki pracy zasilanego urządzenia napięcie wyjściowe zasilacza może być stabilizowane lub nie. W tym miejscu można już dokonać pierwszej klasyfikacji zasilaczy i podzielić je na beztransformatorowe i transformatorowe. Zasilacze beztransformatorowe oczywiście są dla mnie czysto szkolno-laboratoryjnym zjawiskiem.

Jak sama nazwa wskazuje, nie zawierają w swej konstrukcji transformatora sieciowego, czyli ich koszt i waga są niewielkie, jednak mają małą wydajność prądową oraz nie zapewniają izolacji galwanicznej, co w prostej linii może skończyć się porażeniem prądem. A więc pozostają zasilacze transformatorowe. W urządzeniach audio stosuje się dwa rodzaje zasilaczy transformatorowych - zasilacze liniowe oraz impulsowe. Podstawowym elementem zasilaczy liniowych jest:

Podstawową zaletą zasilaczy impulsowych jest mała waga oraz gabaryty, dzięki czemu nie zajmują dużo miejsca i nie wpływają w znaczący sposób na sumaryczną wagę urządzenia.


TRANSFORMATOR SIECIOWY

To właśnie od niego zależeć będą w głównej mierze podstawowe parametry, takie jak wartość napięcia oraz wartość prądu wyjściowego, a co za tym idzie moc. Oczywiście transformator, w zależności od wykonania i zastosowania, może mieć jedno lub kilka uzwojeń wtórnych, nawiniętych drutem nawojowym o różnej średnicy. Bardzo ważnym elementem konstrukcyjnym transformatora jest rdzeń. Istotna jest nie tylko jego konstrukcja, ale również materiał, z którego został wykonany.

Często można spotkać się z określeniami np. transformator z rdzeniem EI, LL, rzadziej dziś "zwijany", za to częściej "toroidalny". Jest to podział mówiący o kształcie blach, z których złożony lub zwinięty jest rdzeń transformatora. Nadmienić muszę, że rdzeń transformatorów sieciowych nie może być jednolity, gdyż występowałoby w nim zjawisko indukowania się prądów wirowych, które (w wielkim skrócie) istotnie pogarszałyby parametry całego transformatora i powodowały dodatkowo jego grzanie. Właśnie po to, aby przeciwdziałać powstawaniu prądów wirowych w rdzeniu transformatora, składa się go lub zwija z pojedynczych blach.

Przy dobieraniu transformatora sieciowego do zasilacza liniowego istotną rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna uzwojeń transformatora. My, praktykujący elektronicy, często używamy określenia, że transformator "jest miękki", i nie chodzi tu o to, że jest wykonany np. z gumy, ale o to, jak bardzo zmniejsza się wartość napięcia wtórnego transformatora pod wpływem obciążenia. W wielkim skrócie powiem, że transformatory toroidalne charakteryzują się małą rezystancją wewnętrzną uzwojeń, czyli są bardziej "twarde" w działaniu i stąd często można je spotkać w zasilaczach wzmacniaczy mocy. Następnym blokiem zasilacza liniowego jest:



PROSTOWNIK

W klasycznym, liniowym zasilaczu wszystko co jest na płytce jest już „po bezpiecznej stronie”, czyli za transformatorem. Z dużym prawdopodobieństwem można więc przyjąć, że mimowolne dotknięcie któregoś z elementów zasilacza, choć może nie być przyjemne, nie wyrządzi nam większej szkody.

W urządzeniach audio stosuje się prostowanie dwupołówkowe, w formie dwóch diod prostowniczych lub mostka Gretz'a. Oczywiście, po takim wyprostowaniu nie uzyskujemy napięcia stałego, a pulsujące z częstotliwością 100 Hz. Aby zmniejszyć tętnienia i jednocześnie zwiększyć wydajność prądową układu prostowniczego stosuje się filtry złożone z kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności. Pojemność kondensatorów filtrujących musi być tym większa, im większy prąd pobierać chcemy z zasilacza.

W zasadzie zasilacz o tak prostej konstrukcji znajdziemy w większości wzmacniaczy pracujących w klasie AB. Oczywiście, wzmacniacz pracujący w klasie AB zasilany jest napięciem symetrycznym, czyli np. +/- 30 V. Dlatego transformator zasilacza takiego wzmacniacza ma dwa identyczne uzwojenia główne, nawinięte grubym drutem, odpowiednio połączone ze sobą, dające po wyprostowaniu żądane dwa napięcia o wartości symetrycznej względem masy.

Często wzmacniacz mocy nie kończy się na samej "końcówce". Dochodzą wskaźniki wysterowania, być może procesor DSP czy zabezpieczenia głośnikowe, wymagające dodatkowego, niższego zasilania i - co bardzo istotne - o stabilizowanej wartości napięcia. Zasilacz bez stabilizacji po prostu nie jest odporny na zmiany napięcia wejściowego, co powoduje analogiczne zmiany napięcia wyjściowego. Zasilacz stabilizowany w pewnym zakresie "broni się" przed takimi zmianami.


STABILIZACJA

Aby to prosto wytłumaczyć, przytoczę przykład. Bardzo rozpowszechnionym sposobem stabilizacji napięcia zasilacza o małej mocy jest stosowanie popularnych stabilizatorów "trójnóżkowych" z serii 78xx (dla napięć dodatnich) oraz 79xx (dla napięć ujemnych). Zapewniają one stabilne napięcie dla prądów do 1,5 A. Warunkiem jednak ich poprawnego działania jest zachowanie na nich spadku napięcia około 3 V. Wyobraźmy sobie, że potrzebujemy zasilania stabilizowanym napięciem stałym o wartości +5 V, przy maksymalnym prądzie obciążenia 1 A.

Jeżeli układ mostek prostowniczy-filtr wygładzający zapewni zasilanie układu 7805 napięciem o wartości 8 V przy prądzie obciążenia 1 A, to napięcie na wyjściu stabilizatora, w całym zakresie prądu pobieranego od 0 do 1 A, wynosić będzie +5 V. Oczywiście, napięcie na wejściu stabilizatora scalonego może być wyższe i, w zależności od typu oraz producenta, mieć wartość nawet około 30 V, jednak każdy zbędny wolt napięcia wejściowego zamieni się podczas pracy zasilacza po prostu na ciepło.

Zasilacze liniowe nie są, jak widać, zbyt skomplikowanymi urządzeniami, jednak mają swoje wady. Przede wszystkim wymagają często dużych i ciężkich transformatorów, mają małą sprawność rzędu 50-70% oraz, w przypadku stabilizacji, pewna część energii zamieniana jest na ciepło, co wymusza zastosowanie często niemałego radiatora chłodzącego. Również mostki prostownicze zasilaczy niestabilizowanych przy dużym obciążeniu potrzebują radiatorów. Od kilku lat zaobserwować można coraz częstsze stosowanie, w celu zasilania układów elektronicznych audio (w szczególności zasilania wzmacniaczy mocy),


ZASILACZY IMPULSOWYCH

Choć nie widać jakie elementy znajdują się na płytce, niemałej wielkości transformator toroidalny informuje nas, że jest to zasilacz liniowy.

Podstawową zaletą takich zasilaczy jest mała waga oraz gabaryty (to mechanicznie), a przy tym duża wydajność oraz sprawność, nawet do ponad 80%. Takie konstrukcje mają niewielkie straty cieplne i w związku z tym nie potrzebują dużych radiatorów chłodzących. Zasilacze impulsowe o mocy nawet kilkuset watów są zaskakująco małych rozmiarów, a radiator chłodzący, w przypadku zastosowania wentylatora, to często aluminiowa blaszka.

Dla porównania, kilkuset watowy zasilacz liniowy wymagałby dużego transformatora oraz, oprócz wentylatora, niemałego radiatora żeberkowego. Zasilacze impulsowe mają bardziej skomplikowaną konstrukcję i są bardziej niebezpieczne dla ewentualnego ciekawskiego, który chciałbym do nich zaglądnąć. Podstawowym niebezpieczeństwem jest tutaj fakt, że tak mostek prostowniczy, kondensatory filtrujące, jak i tranzystory sterujące pracują po stronie sieci napięcia przemiennego 230 V, ale po kolei.


FILTRY I MOSTEK

Pierwszym blokiem typowego zasilacza impulsowego, mającym na celu zmniejszenie szumów sieci zasilającej, jest filtr. Zasilacze większej mocy wyposażone są dodatkowo w elementy zmniejszające udar prądowy, wynikający z ładowania się kondensatorów filtrujących prostownika. Następnie takie "oczyszczone" napięcie przemienne z sieci podawane jest na mostek Gretz'a, złożony z elementów wysokonapięciowych.

Po mostku otrzymujemy napięcie impulsowe o częstotliwości 100 Hz, lecz o napięciu około 228 V. Aby zmniejszyć tętnienia stosujemy wysokonapięciowe kondensatory filtrujące, na końcówkach których podczas pracy może panować napięcie nawet 300 V!



2 x TR, CZYLI TRANZYSTORY I TRANSFORMATOR

W przeciwieństwie do zasilaczy impulsowych, stosując klasyczne rozwiązanie musimy zarezerwować sporo miejsca, może nie na same obwody zasilacza (w tym przypadku zajmują niespełna ¼ całej płyty z elektroniką), co na przeważnie dość spory transformator.

To wysokie napięcie stałe jest doprowadzone do tranzystorów sterujących pierwotnym uzwojeniem transformatora. Często spotkać można określenie, że tranzystory mocy kluczują transformator, ponieważ tak naprawdę prąd zasilający uzwojenie pierwotne nie ma sinusoidalnego kształtu, a prostokątny, i ma charakter przełączania uzwojenia pierwotnego pomiędzy potencjałem masy a pełnym napięciem (push-pull). Transformator zasilacza impulsowego określamy jako transformator impulsowy i jego konstrukcja różni się od tego znanego nam już z zasilacza liniowego.

Przede wszystkim częstotliwość pracy transformatora impulsowego nie wynosi 50 Hz, a - w zależności od zastosowanego sterownika - od kilku do kilkuset kHz. Dzięki temu transformatory impulsowe mogą mieć rdzenie niewielkich rozmiarów, wykonane ze stopów na bazie żelaza. Często można zauważyć wewnątrz zasilacza impulsowego niewielki transformator, z którego wychodzą grube druty, a czasem łączone równolegle cieńsze uzwojenia. To właśnie jest transformator impulsowy.


STEROWNIK PWM I PROSTOWNIK

Tranzystory mocy zasilacza impulsowego sterowane są z układu sterownika PWM (Pulse Width Modulation - Modulacja Szerokości Impulsu). Po prostu tranzystory są zatykane lub nasycane, czyli działają na zasadzie włącz/wyłącz. W zależności od obciążenia zasilacza zmniejsza się lub zwiększa czas nasycenia tranzystorów. Zjawisko to odbywa się dynamicznie, zaś fakt nasycania się tranzystorów powoduje występowanie małych strat cieplnych.

Następne pytanie, jakie się nasuwa, to skąd sterownik PWM "wie", kiedy zmienić szerokość impulsów? Do tego służy układ sprzężenia zwrotnego, w skład którego wchodzi - w zależności od konstrukcji - dodatkowe uzwojenie sprzężenia zwrotnego po wtórnej stronie transformatora lub badane jest po prostu jedno z napięć wyjściowych zasilacza. W celu zapewnienia separacji galwanicznej często w układzie sprzężenia zwrotnego znajduje się transoptor.

Scalone sterowniki zasilaczy impulsowych wyposażone są w zabezpieczenia nadprądowe. Na wyjściu transformatora impulsowego mamy napięcia zmienne o wymaganej wartości, lecz o dużej częstotliwości, wynikającej z częstotliwości kluczowania tranzystorów sterujących. Do ponownego wyprostowania napięć wtórnych stosuje się diody Shotki'ego, które mają mały spadek napięcia (czyli wprowadzają małe straty), ale ważniejsze jest to, że pracują bardzo szybko i dzięki temu radzą sobie z wyprostowaniem napięcia zmiennego o dużej częstotliwości.

Całość zamyka oczywiście wyjściowy układ filtrujący. Czasem spotkać można dodatkową stabilizację napięcia wyjściowego zasilacza impulsowego, dokonywaną za pomocą wspomnianych wcześniej, już liniowych, stabilizatorów. Pozostała jeszcze jedna funkcja zasilaczy impulsowych, która coraz częściej pojawia się w reklamowych materiałach sprzętu audio, a mianowicie:


PFC

Z zasilaczem impulsowym musimy obchodzić się bardzo ostrożnie, jeśli przypadkiem zdarzy się nam nie odłączyć kabla zasilającego. Duża cześć jego elementów – mostek prostowniczy, kondensatory filtrujące i tranzystory sterujące – pracują po stronie sieci napięcia przemiennego 230 V.

Jest to kolejny skrót od anglojęzycznej nazwy Power Factor Correction. Chodzi tu o fakt pobierania przez urządzenie zasilane impulsowo nie tylko mocy czynnej, ale również biernej, która nie przekłada się na pracę urządzenia, a jedynie powoduje dodatkowe obciążenie sieci zasilającej. Przy odbiornikach o charakterze rezystancyjnym napięcie i prąd są w fazie, czyli kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem wynosi 0°.

Jeżeli obciążenie ma charakter indukcyjny, kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem wynosi 90° (czyli napięcie wyprzedza prąd), a w przypadku obciążenia o charakterze pojemnościowym jest odwrotnie - kąt wynosi -90 stopni, a to oznacza, że napięcie jest opóźnione względem prądu. Niestety, obciążenia złożone, a takim jest zasilacz impulsowy, są obciążeniami reaktancyjnymi i prąd pobierany przez te urządzenia nie jest w fazie z napięciem.

W uproszczeniu można powiedzieć, że im bardziej w fazie będzie napięcie z prądem, tym mniej potrzeba będzie mocy biernej. My w domach nie płacimy za moc bierną, jednak nie zmienia to faktu, że dostawca energii elektrycznej musi wygenerować moc większą właśnie o wartość tej mocy. W efekcie takiej sytuacji Unia Europejska wydała dyrektywę, na mocy której wszystkie zasilacze o mocy 75-1.000 W i większej muszą być wyposażone w układ korekcji przesunięcia fazowego napięcia wejściowego w stosunku do prądu wejściowego, PFC.

Zasilacz bez układu PFC ma współczynnik mocy na poziomie 0,75 (idealna wartość to 1). Istnieje podział na zasilacze z pasywnym i aktywnym PFC. Układ pasywnego PFC ustawiony jest na ściśle określone stałe obciążenie i współczynnik mocy w takich układach wynosi około 0,8-0,95. Układ aktywnego dopasowania PFC pracuje w całym zakresie obciążenia i osiąga współczynnik mocy od około 0,90 do 0,99. W zasadzie dla sieci energetycznej zasilacz z aktywnym PFC widziany jest jako obciążenie o charakterze rezystancyjnym.

Jest jeszcze jeden haczyk - zasilacz o niskim współczynniku mocy nie ma wcale większej sprawności, jak to często zdarza się wyczytać w materiałach reklamowych niektórych urządzeń wyposażonych w zasilacz impulsowy z PFC! Pojęcie współczynnika mocy nie ma nic wspólnego ze sprawnością zasilacza. Można wręcz powiedzieć, że zasilacz z aktywnym PFC ma nieznacznie niższą sprawność, bo przecież musi zasilać dodatkowy układ korekcji. Oczywiście to tylko teoretyczny przykład, bo w praktyce taki spadek sprawności jest pomijalny. To chyba z grubsza wszystko na temat zasilania w sprzęcie audio. Pozostaje jedynie życzyć skutecznego i stabilnego zasilania.