PE Preregulator tyrystorowy Archiwum

PE Preregulator tyrystorowy Archiwum

 Na rynku światowym oferowanych jest kilkadziesiąt grup przyrządów laboratoryjnych. Jednym z takich przyrządów jest regulowany zasilacz o charakterystyce krzyżowej. Wszystkie przyrządy mają też wbudowany nieregulowany zasilacz. Oferowane są komercyjne zasilacze m.in. do kaset rozmiaru 19' o napięciach 5V do części cyfrowej, +/-15V do części analogowej i 24V do części wykonawczej, w której można umieścić karty budowanej dedykowanej elektroniki.

Stabilizowany zasilacz liniowy o nieregulowanym napięciu wyjściowym ma sprawność 35-55% na co składa się marna sprawność prostownika pojemnościowego, tętnienia napięcia z prostownika, minimalny spadek napięcia na tranzystorze regulacyjnym oraz konieczność stabilnej pracy przy obniżonym napięciu sieciowym. Spadek napięcia na tranzystorze regulacyjnym musi wszystkie te czynniki pokryć. Już w zasilaczu średniej mocy problemem jest rozproszenie ciepła wydzielanego przez tranzystor regulacyjny.

Zasilacz laboratoryjny ma z reguły charakterystykę krzyżową. Problemem jest rozproszenie radiatorami ciepła w tranzystorze regulacyjnym i zbyt wąski obszar pracy bezpiecznej tranzystora mocy SOA przy wyższych napięciach. Przy braku układ Crow Bar przebicie tranzystora powoduje pojawienie się na wyjściu pełnego napięcia prostownika i najczęściej zniszczenie zasilanego systemu.

Trzeba do zmiany napięcia wyjściowego prostownika stosować ręczne przełączniki odczepów na uzwojeniu wtórnym transformatora sieciowego lub automatyczne przełączanie napięć uzwojeń przekaźnikami, tyrystorami lub triakami lub preregulator tyrystorowy.

Poniżej pokazano schemat bezzakłóceniowego przełącznika uzwojeń transformatora czyli napięć na triakach w zasilaczu koncernu HP.

Preregulator tyrystorowy był tak zwaną technologią przejściową.

Tranzystory wysokonapięciowe o Uceo do 400V pojawiły się w komercyjnej sprzedaży na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Szybko też pojawiły się w USA ( napięcie sieciowe wynosi tam 115Vac i wystarczy tam dla SMPS napięcie tranzystora Uceo ca 400V ) zasilacze impulsowe w których je zastosowano. Tranzystory bipolarne znacznie udoskonalono ale nadal wymagają one stratnego snubbera RCD lub RC ograniczającego szybkość narastania napięcia na wyłączanym tranzystorze poniżej 1000V/us i stratnego clippera ograniczającego piki napięcia w układach asymetrycznych. Zasilacze impulsowe SMPS z tranzystorami Mosfet mogą mieć znacznie lepszą sprawność niż z tranzystorami bipolarnymi. Mogą pracować z wyższą częstotliwością i mogą być mniejsze.

Dla niezawodnej pracy tranzystor wysokonapięciowy musi mieć margines napięcia i nie należy przekraczać 70-80% napięcia Uceo. Praca z napięciem większym od Uceo ( tranzystor jest już wyłączony, ale z napięciem oczywiście mniejszym od Ucbo) jest zawsze potencjalnie niebezpieczna i niepolecana. Na powstawanie błędów w pamięciach RAM, mylenie się procesorów ale także anomalie ( z braku zabezpieczeń powstaną uszkodzenia ) w pracy tranzystorów / tyrystorów wysokonapięciowych wpływ ma prawdopodobnie promieniowanie kosmiczne. Tranzystory do stopni końcowych odchylania poziomego w odbiornikach TVC mają napięcia Uceo=600-800 i Ucbo=1500V ale tylko impulsowo. Są niestety powolne i mają małe wzmocnienie.

Z powodu przejściowości technologii preregulatora tyrystorowego temat potraktowano sygnalizacyjnie.

W zasilaczach udanych minikomputerów rodziny Hewlett Packard HP 2100 przed tranzystorowym mostkiem przetwornicy zastosowano preregulator tyrystorowy ponieważ tranzystory mocy miały zbyt małe napięcie Uceo i zbyt wąski obszar pracy bezpiecznej SOA aby zastosować je na pełne wyprostowane napięcie sieciowe.

Tranzystory mocy liniowego regulatora mimo iż zasilacz ma charakterystykę krzyżową ( czyli ograniczenie prądu ) ma też ochronę bezpiecznego obszaru pracy tranzystora SOA.

Zasilacz z preregulatorem tyrystorowym na duże napięcia ( na przykład 300V – 10A ) ma też dodatkowo sterowany układ szybkiego rozładowania dużego kondensatora sterowanego tyrystorowego prostownika aby po przejściu na regulacje prądu przy dużym napięciu na tranzystorze regulatora nie uległ on zniszczeniu energią z dużego kondensatora elektrolitycznego prostownika.

Zazwyczaj od zasilacza oczekujemy małych tętnień i szumów i za preregulatorem użyty jest regulator liniowy. Ale produkowane są też zasilacze bez regulatora liniowego z fazową regulacją napięcia tyrystorami. Powyżej schemat regulowanego stabilizowanego krzyżowego zasilacza Hewlett Packard HP6434 40V-25A czyli o mocy 1 kW. Fazowo sterowana jest antyrównoległa para tyrystorów po stronie sieciowej. Impulsy bramkowe wykonuje generator samodławny. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych bramki tyrystorów sterowały właśnie generatory samodławne i tranzystory jednozłączowe.

Istotnym mankamentem użytego prostownika pojemnościowego jest duża wartość skuteczna prądu i wynikająca z tego i duża „moc” transformatora określana zawsze w VA. Dla zmniejszenia tętnień napięcia wyjściowego użyto dodatkowego filtru LC. Aby przy małym obciążeniu napięcie wyjściowe mogło spaść bez długiego oczekiwania użyto rezystorów mocy do jałowego obciążenia.

Koncern General Electric w który wprowadził tyrystory odkryte w Bell Laboratories na rynek w swoim „SCR manual” w wydaniu z 1972 roku podał schemat regulowanego stabilizowanego zasilacza 20-60V o prądzie 20A. Do ograniczenia prądu wyjściowego w razie zwarcia potrzebny jest dodatkowy układ którego schemat podano w manualu. Ulubionym elementem GE w obszarze wyzwalania tyrystorów jest z kolei produkowany przez niego tranzystor jednozłączowy. Zastosowano sterowany fazowo prostownik tyrystorowy z diodą rozładowującą z wejściem indukcyjnym co powala ograniczyć moc transformatora sieciowego.

Zauważmy że układy HP i GE wykonane na tranzystorach sprzed ery masowego użycia układów scalonych są proste i zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych niewiele uprościłoby układ .

W radzieckim przenośnym kolorowym odbiorniku telewizyjnym „Elektronika C430” przed sieciowym zasilaczem impulsowym zastosowano preregulator tyrystorowy dający napięcie 160 Vdc. Odbiornik może być zasilany z sieci lub akumulatora samochodowego 12V. Mod pracy wybierany jest przełącznikiem. Przy zasilaniu z akumulatora pracuje w SMPS germanowy tranzystor mocy na dość duży prąd. Tyrystor preregulatora wyzwala analog diaka na dwóch komplementarnych tranzystorach. Cały preregulator wykonano na 7 tranzystorach. Tyrystor wyzwalany jest w każdej półfali napięcia sieciowego ale tylko na opadającej części sinusoidy. Kondensator elektrolityczny za preregulatorem na ma aż pojemność 1000 uF. Zakłóceniowe załączenie tyrystora na rosnącej części sinusoidy napięcia sieciowego może zniszczyć kondensator elektrolityczny i tranzystor wysokonapięciowy SMPS. Toteż dużo uwagi poświęcono aby tego uniknąć. Schemat preregulatora jest spleciony z resztą SMPS i bez utraty czytelności trudno jest wyciąć sam preregulator.

Philips od 1973 roku produkował udany zasilacz krzyżowy PE1512 o napięciu do 35V i prądzie maksymalnym 3.2A. Przy pełnej mocy wyjściowej sprawność zasilacza wynosi 59% a więc jest bardzo wysoka jak na zasilacz liniowy. W konstrukcji zasilacza zastosowano małosygnałowe tranzystory krzemowe ale tranzystorem szeregowym regulatora są trzy połączone równolegle tranzystory germanowe mocy typu ASZ1015 ( 60V / 6A / 20W) jako że tranzystory mocy krzemowe były jeszcze drogie i słabo dostępne. Oczywiście nie zastosowano żadnych układów scalonych bo dopiero się rodziły i wchodziły do użycia. Użyte tranzystory mocy są bardzo słabe jak na gabaryt zasilacza dlatego że użyto w nim preregulatora tyrystorowego. Preregulator utrzymuje na tranzystorze szeregowym określone napięcie, tym większe im większy jest pobierany z zasilacza prąd ( aby pokryć napięcie tętnień na kondensatorze o pojemności 7500 uF prostownika i spadek napięcia do kolejnego półokresu napięcia sieciowego ) aby zawsze utrzymać regulację. Germanowe tranzystory mocy są zawodne. Przy ustawieniu regulatora na maksymalne napięcie i prąd, tranzystory szeregowe ASZ1015 są po zwarciu wyjścia zasilacza , przez chwile do rozładowania kondensatora prostownika 7500 uF, bardzo mocno obciążone.

Do wyzwalania tyrystora zastosowano analog tranzystora jednozłączowego na tranzystorach komplementarnych.

Zasilacz PE1512 którym posługiwał się autor uległ uszkodzeniu a zasilane napięciem 5V urządzenie uległo destrukcji. Oczywiście uszkodził się jeden z tranzystorów ASZ1015.

Zasilacz ten winien mieć wbudowany układ CrowBar co tylko odrobinę podniosłoby jego cenę.

Niestety obszerny schemat preregulatora jest znów spleciony z całą resztą zasilacza. Schemat niewiele by wniósł a jest obszerny.

Preregulatorów tyrystorowych użyto też w krajowych zasilaczach krzyżowych o parametrach 30V-1A i 60V-0.5A.

Preregulatora triakowego użyto w mocnym akustycznym wzmacniaczu mocy Yamaha co jest rozwiązaniem wysoce nietypowym i raczej zbędnym.

Firma Linear Technology produkuje ulepszony trójkońcówkowy regulator LT1038 w obudowie TO3 o mocy strat 100W wzorowany na popularnym układzie LM317. Jego ciągły prąd wyjściowy wynosi aż 10A a szczytowy przez 500 us aż 24A.

Na schemacie pokazano zasilacz 0-35V, 0-10A z preregulatorem tyrystorowym a za nim regulator ciągły z LT1038.

Rentgenowski tomograf komputerowy z uzyskanych projekcji odtwarza obraz przekroju ciała pacjenta. Jest bardzo użytecznym narzędziem diagnostyki obrazowej. Jest niestety bardzo drogi ale niezastąpiony w pracy lekarzy zwłaszcza w przypadku ciężkich chorób realnie zagrażających życiu pacjenta.

Wymagania na zasilacz wysokiego napięcia lampy rentgenowskiej X konwencjonalnego aparatu medycznego są niewielkie i stosowane są proste prostowniki w kadzi olejowej razem z podwyższającym napięcie sieciowe jednofazowym transformatorem. Natomiast wymagania na zasilacz wysokiego napięcia lampy rentgenowskiej X tomografu komputerowego są bardzo ostre i trudne do spełnienia. Bardzo duża jest wymagana moc na tle zwykłego aparatu rentgenowskiego i wymagana stabilność napięcia. Trójfazowy transformator olejowy podnoszący napięcie podane do prostownika mostkowego z kondensatorem wygładzającym ( wszystko w kadzi olejowej transformatora ) zasilany jest przez trójfazowy preregulator tyrystorowy lub poprzez trójfazowy autotransformator (!) szybko przestawiany serwomechanizmem.

Finalnie wysokie napięcie ( do 120 KV czyli +/-60KV) jest dokładnie ciągle regulowane tranzystorami mocy. Stosowane są łączone szeregowo japońskie tranzystory mocy dedykowane do akustycznych wzmacniaczy dużej mocy w gałęzi napięcia dodatniego i ujemnego ( lampa rentgenowska X zasilana jest napięciami symetrycznymi ) od strony masy. Mają bardzo szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA i napięcie Uceo=250V. Tranzystory mają układ chroniący ich obszar pracy bezpiecznej dodatkowo współpracujący z chroniącymi tranzystory warystorami. Ochrona jest bardzo trudna a wyładowania się zdarzają.

Całość zasilacza jest bardzo skomplikowana. Napiecie lampy X czyli tez pobierana przez nią moc zadane jest programowo poprzez przetwornik cyfrowo – analogowy D/A stosownie do wykonywanego przekroju ciała.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest ( będzie ) zasilacz impulsowy dużej mocy ale z uwagi na filtrację tętnień i wymaganą precyzyjną regulacje napięcia musi pracować z częstotliwością ponad 50 KHz. Obecnie nie ma jeszcze szybkich tranzystorów tak dużej mocy ale to się szybko zmienia.

Światowy rynek diagnostyki obrazowej rośnie szybko i perspektywy są bardzo dobre.

Zasilacze średniej mocy są użyteczne. Przykładowo zamiast konstruowany / badany zasilacz impulsowy SMPS do odbiornika TVC czy komputera zasilać z sieci energetycznej gdzie napięcie cały czas się zmienia zasilamy go stabilnym i regulowanym do potrzeb napięciem ca 160 – 320Vdc. Bez problemu możemy dokładnie zmierzyć sprawność SMPS w różnych warunkach i różnym stadium nagrzania zasilacza. Wreszcie zasilacz o napięciu wyjściowym zadanym interfejsem z komputera PC wraz z innymi przyrządami z interfejsami pozwala zautomatyzować eksperymenty i pomiary oraz tworzenie dokumentów z wynikami eksperymentów.

W preregulatorach stosowano także szybki wzmacniacz magnetyczny w układzie Rameya. Elementem wykonawczym w miejsce tyrystora był nasycany dławik. Sterowanie ich jest jednak zupełnie różne. Dawniej stosowano też w preregulatorach na duże napięcia tyratrony i ignitrony.

Mankamentem preregulatorów z prostownikiem pojemościowym jest duża wartość skuteczna prądu i konieczność „przewymiarowania” transformatora. Prostownik z obciążeniem indukcyjnym zawiera natomiast ciężki dławik. Wszystkie wprowadzają zakłócenia ale nie stanowią one trudnego problemu.

Przyszłość należy do zasilaczy impulsowych w każdym zakresie mocy. Nie są one pozbawione wad. W porównaniu z regulatorami ciągłymi mają dużo większe szumy i zakłócenia w napięciu wyjściowym.

Zastosowanie w odbiornikach telewizyjnych TVC zasilaczy impulsowych i tranzystorowych stopni odchylania poziomego H-Out obniżyło pobór mocy z 300 W odbiorników lampowych do 60-100 W, zależnie od wielkości ekranu kineskopu.