EE Ładowarki

EE Ładowarki

O reakcjach elektrochemicznych wiedziano już na początku XIX wieku. Francuzi i Niemcy przypisują sobie prymat w wynalezieniu akumulatora ołowiowo – kwasowego. Wydaje się że większy wkład w technologie konstrukcji – produkcji użytecznego akumulatora mieli Francuzi. W obu krajach w latach dziewięćdziesiątych XIX wieku przemysłowo ( to tylko znaczy nie rzemieślniczo ale nie masowo ) produkowano akumulatory ołowiowo – kwasowe. Ponieważ masowa motoryzacja narodziła się w USA to siłą rzeczy dalsze udoskonalenia akumulatora i technologi jego produkcji miały miejsce w Ameryce. Sprawę długowieczności akumulatorów Stand by używanych w Centralach telefonicznych rozwiązał Bell już w latach trzydziestych.

Od ponad 20 lat koncerny motoryzacyjne prowadzą prace poszukiwawcze nad zdecydowanie lepszym akumulatorem, który pozwoliłby produkować samochody elektryczne.

Zaletą akumulatora ołowiowo – kwasowego jest najlepszy stosunek przechowanej energii do ceny i łatwość produkcji przemysłowej. Niemniej jest to rozwiązanie stare, już wiekowe !

Ołów powoduje uszkodzenie mózgu, głuchotę i opóźnienia rozwojowe u dzieci. Zużyte akumulatory winny być w 100% zebrane a ołów z nich odzyskany i użyty ponownie w produkcji akumulatorów.

1.Rozruchowe akumulatory ołowiowo – kwasowe stosuje się w:

-Samochodach osobowych i użytkowych na napięcie 12V. Napięcie 6V stosowane jest w dobrej klasy motocyklach z rozrusznikiem. Tańsze motocykle bez rozrusznika elektrycznego musi nogą uruchomić kierowca co nie jest łatwe.

-Samochodach ciężarowych i pojazdach roboczych z silnikiem Diesla na napięcie 24V

-W lokomotywach Diesla na napięcie 24-110V

-W awaryjnych agregatach statkowych Diesla na napięcie 24V

-W różnych awaryjnych agregatach Diesla na napięcie 24..48..110V

Akumulatory rozruchowe mają przy głębokim wyładowaniu małą trwałość i w zasadzie cały czas powinny być w pełni naładowane. Ich faktyczna żywotność nie przekracza pełnych 300 cykli.

2.Akumulatory ołowiowo – kwasowe Standby  stosuje się w:

-Centralach telefonicznych na napięcie 48V oraz w systemach łączności awaryjnej

-Systemach automatyki przemysłowej a w szczególności w elektrowniach na napięcie 24V

-W stacjach elektroenergetycznych na napięcie 110-220 V

-W systemach alarmu i monitoringu

Akumulatory te mają płyty „pancerne” i tolerują głębokie wyładowanie

3.Akumulatory ołowiowo – kwasowe jako ruchome żródło energii stosuje się w:

-Wózkach towarowych

-Sztaplarkach tam gdzie użycie sztaplarek spalinowych jest wykluczone. Znaczny ciężar akumulatora nie jest wadą bowiem duży ciężar i tak jest konieczny dla stabilizacji położenia sztaplarki wysoko podnoszącej – opuszczającej towar.

-Wózkach golfowych Melex

Akumulatory te mają płyty „pancerne” i tolerują głębokie wyładowanie w wielu cyklach w czasie życia

Systemy automatyki w standardzie pętli prądowej 4-20 mA z reguły zasilane są napięciem 24Vdc buforowanym akumulatorem czyli o dość szerokim tolerowanym zakresie. Takim systemem jest licencyjny system Vutronik nabyty od amerykańskiego koncernu Honeywell.

Gdy wymagane jest zasilanie systemu automatyki sieciowym napięciem zmiennym 50/60 Hz można je wytworzyć z akumulatora przetwornicą. Cały ten obieg energii ma jednak mała sprawność i jest niepotrzebnie skomplikowany i drogi.

Podstawowy w kolejnych procesach elektrochemicznych ładowania – rozładowania akumulatora amorficzny siarczan ołowiu stopniowo w kolejnych cyklach przechodzi w krystaliczny siarczan ołowiu o bardzo słabo rozwiniętej powierzchni i o dużym oporze. W rezultacie akumulator w kolejnych cyklach pracy ma coraz mniejszą pojemność i coraz większą oporność wewnętrzną. To nieodwracalne zjawisko nazywane jest zasiarczeniem. Jest szczególnie natężone przy mocno rozładowanych akumulatorze z czego wniosek że nigdy nie wolno pozostawić akumulatora rozładowanego.

Im większy jest prąd ładowania – rozładowania tym w reakcji elektrochemicznej akumulatora bierze udział mniejsza część masy czynnej elektrod i elektrolitu.

Peukert sformułował empiryczne prawo pokazujące pojemność akumulatora w funkcji intensywności rozładowania. Wykładnik Peukerta jest różny dla poszczególnych rodzajów akumulatorów: hermetycznych, niehermetycznych, żelowych, z katalitycznych utlenianiem wodoru itd. Szczegóły winna zawierać dokumentacja producenta akumulatora. Pojemność części akumulatorów przy szybkim rozładowaniu jest zdumiewająco mała ! Nawet podawanie zakresów zachowań akumulatorów w gruncie rzeczy wprowadza w błąd.

Prawo Peukerta nie ma zastosowania do innych akumulatorów niż ołowiowo-kwasowe.

W lotnictwie jako awaryjne źródło energii stosowane są akumulatory NiCd.

Elektrolit czyli czysta woda i kwas siarkowy ma największą gęstość w naładowanym akumulatorze i jest go jednocześnie najwięcej. Gęstość ta wynosi dla akumulatorów dla strefy tropikalnej 1.23 G/cm3 a dla akumulatorów dla strefy zimnej 1.3 G/cm3. Zamarznięcie elektrolitu powoduje zniszczenie akumulatora i stąd w strefie zimnej wymagana większa gęstość i staranie aby akumulator rozruchowy zawsze był naładowany. Elektrolit o gęstości 1.3 G/cm3 zamarza w temperaturze -60 C.

Stan naładowania akumulatora można jednoznacznie określić tylko mierząc gęstość jego elektrolitu dlatego że napięcie na akumulatorze wykazuje histerezę po procesach ładowania i rozładowania.

Po ładowaniu ( dane dotyczą temperatury pokojowej ) napięcie po zdjęciu prądu ładowania stopniowo spadnie do 2.1 V a po rozładowaniu wzrośnie do 2 V. Nie oznacza to jednak że zachowanie akumulator nie pozwala go właściwie w 100% naładować bez pomiaru gęstości elektrolitu i przeładowania.

Przy napięciu ładowania powyżej 2.4V na cele zachodzi elektroliza wody i jej szkodliwy ubytek. Intensywne, zabronione przeładowanie hermetycznego akumulatora z mechanizmem katalitycznego utleniania wodoru powoduje rozszczelnienie obudowy. „Gazowania” należy unikać tym bardziej ze powoduje ono korozje płyt i spadek żywotności akumulatora. Zupełnie wyjątkowo przeładowanie większości połączonych cel akumulatora może służyć kompletnemu 100% naładowaniu niektórych cel akumulatora.

Wagowa ( także objętościowa ) właściwa pojemność liczona w amperogodzinach na kilogram Ah/kg celi rośnie wraz z jej pojemnością. Skutkiem tego akumulator o trzech celach na napięcie 6V ma trochę większą pojemność energetyczną niż akumulator z 6 celami na napięcie 12 V tej samej masy.

Prawo Arrheniusa dotyczące szybkości reakcji chemicznych w funkcji temperatury ma zastosowanie do akumulatorów. Im niższa temperatura akumulatora tym większa jest oporność wewnętrzna akumulatora. Coraz trudniej jest go także naładować.

Do połowy lat sześćdziesiątych napięcie prądnicy napięcia stałego lub alternatora ( z wbudowanym prostownikiem diodowym ) samochodowego kontrolował niepewny regulator elektromechaniczny. Na desce rozdzielczej samochodu często był woltomierz pokazujący napięcie ( „ładowania” ) w instalacji. O napięciu w instalacji dobrze świadczy kolor światła reflektorów samochodu i ich intensywność świecenia. Wprawny elektryk samochodowy od razu, nawet bez miernika napięcia, dostrzeże że napięcie jest niewłaściwe.

Trudności z rozruchem silnika samochodu skutkiem niedoładowania akumulatora lub jego przeładowania (w końcu elektrolizy części elektrolitu i korozji płyt ) były w zimie bardziej normą niż wyjątkiem

Obecna konstrukcja zachodniego regulatora napięcia alternatora ( prądnice kompletnie wyszły z użytku ) z tranzystorem wykonawczym Darlingtona w taniej obudowie TO220 a nawet TO126 jest bardzo prosta i jest on niewielką chłodzoną „kostką” z konektorem na alternatorze lub wbudowaną w alternator. Moc strat można by mocno obniżyć stosując tranzystor Power Mosfet jako wyjściowy klucz mocy.

N.B. Zachodnie regulatory napięcia alternatora od razu stosowały tranzystory krzemowe jako że tranzystory germanowe mają za niską maksymalną temperaturę pracy i za małą niezawodność. Natomiast w ZSRR produkowano regulatory z tranzystorami germanowymi mocy P210, 214, 217... w dużej okrągłej metalowej obudowie. Regulator ważył circa pół kilograma i był zawodny !

Część regulatorów alternatorów ma napięcie istotnie zależne od temperatury. Rośnie ono ze spadkiem temperatury ( szczególnie ostrą zimą ) co pozwala dobrze naładować akumulator w każdej pogodzie bez jego przeładowania w lecie. Silne nagrzanie się bloku silnika i alternatora na dłuższej trasie w zimie eliminuje niebezpieczeństwo przeładowania akumulatora. Podniesienie napięcia ładowania w zimną pogodę powoduje szybsze przepalenie żarówek reflektorów i z tego względu nie jest lubiane przez część koncernów motoryzacyjnych. Dobrym rozwiązaniem byłoby zasilanie reflektorów przez rezystor / diodę zwieraną przekaźnikiem przy nie zimnej pogodzie. Na zachodzie masowo są produkowane 3 Amperowe tanie plastikowe diody rodziny 1N540X i tanie plastikowe diody 6 Amperowe. Wymagane przez przekaźnik i diody powiększenie skrzynki bezpiecznikowej jest znikome. Licencyjne samochody Fiat ( i pochodny Polonez ) we Włoszech mogą nie mieć problemów z rozruchem ale w zimniejszej Polsce niestety mają problemy i to spore. Polski jako kraju na dorobku nie stać na produkowanie byle czego i z racji srogich zim powinniśmy zerkać na trwałe rozwiązanie stosowane na przykład w wolno rdzewiejącym szwedzkim Volvo.

Niemniej nawet z dobrym regulatorem napięcia i nowym akumulatorem jeśli w zimie będziemy uruchamiać zimny silnik bez przejechania dystansu wystarczającego na naładowania akumulatora po ciężkim rozruchu to i tak czeka nas w końcu nieprzyjemna niespodzianka.

Radzieckie pojazdy specjalne mają przełącznik pozwalający zwiększyć napięcie instalacji o ca 0.6V w bardzo zimną pogodę.

Normy USA i RFN ustalają minimalny prąd rozruchu nowego akumulatora w niskiej temperaturze.

Szerokie zastosowanie mikrokontrolerów w samochodach może też pozwolić na tanią realizacje funkcji ostrzeżenia kierowcy przed rozładowaniem akumulatora w zimie skutkiem pokonywania za krótkich dystansów z zimnym silnikiem. Włączenie rozrusznika silnika kluczykiem wydaje się już anachronizmem. Powinien służyć do tego astabilny przycisk. Sensorem kąta wału korbowego dla zapłonu elektronicznego jest najczęściej „Pick Up coil” czyli czujnik reluktancyjny i detekcja podjęcia pracy przez silnik w czasie rozruchu jest bardzo prosta. Brak automatycznego rozruchu w zadanym czasie i za mocny spadek napięcia akumulatora winien skutkować ostrzeżeniem lub alarmem i zapaleniem dodatkowego ostrzeżenia przez zbyt szybkim wyłączeniem silnika. Obecna technologia pozwala odesłać w przeszłość problemy z rozruchem silnika samochodu.

Czas rozruchu skorygowany o wpływ temperatury silnika / akumulatora dobrze informuje o stanie akumulatora i silnika jednocześnie. Obniżenie napięcia akumulatora w czasie rozruchu obniża też mocno energie iskry na świecy zapłonowej co dalej utrudnia rozruch silnika.

Gdy samochód lub inny pojazd jest używany nieregularnie jako element niepewności ( ponad stan ostatniego naładowania akumulatora, pogoda i stan techniczny silnika a w tym świec żarowych silnika Diesela ) rozruchu dochodzi samorozładowanie się akumulatora.

Armia ćwiczenia poligonowe z użyciem Bojowych Wozów Piechoty, Czołgów oraz ciężarówek z reguły przeprowadza wiosną i w lecie. Moment uderzenie napastnika, mimo pracy wywiadu, może być nieznany. Może być w zimie. Jednostka wojsk zmechanizowanych może zostać ostrzeżona przed atakiem lotniczym 10-20 minut przed nim. W tym czasie żołnierze muszą dobiec do pojazdów, uruchomić je i wyjeżdżać za bramę jednostki. Obsługa obrony przeciwlotniczej pierwsza podejmuje akcje. Straty były znikome – ucierpią tylko budynki. Gdy pojazdy nie dają się łatwo uruchomić lub po przejechaniu kilkuset metrów powtórnie wymagają uruchomienia dojdzie do jatki.

Samoloty muszą szybko wystartować zanim zbombardowane będą pasy startowe i hangary. Użyteczne są tylko w powietrzu atakując i odpierając wroga.

W godzinie próby systemy łączności nie mogą zawieść – po to mają akumulatory Stand by.

Inwazja Niemców na ZSRR a potem inwazja aliantów na Francję i wojna USA - Japonia na Pacyfiku pokazały jak niezwykle ważny jest moment zaskoczenia.

W 1939 roku Polska mogła się obronić a przynajmniej tak długo skutecznie bronić aż pomocy udzielą jej alianci. Ale podły zdrajca, „wódz naczelny” po 2 dniach nie miał już łączności z armią a oficerowie masowo zdezerterowali i w części uciekli wraz z „rządem” za granicę. W tej sytuacji nie było komu pomagać. „Jeszcze nigdy nie wygrał ktoś kto nie wierzył w zwycięstwo”

Statek w maszynowni ma silnik główny i kilka dieslowskich agregatów prądotwórczych średniej - dużej mocy. Po co mu awaryjny dieslowski agregat prądotwórczy poza maszynownią ? Intensywnie rozwijający się pożar w maszynowni można czasem ugasić tylko automatycznym wyrzutem z ciśnieniowych butli dużej ilości dwutlenku węgla CO2 w zamkniętej ( odcięcie dopływu powietrza czyli tlenu i blokada wydostania się płomieni ) maszynowni. Oczywiście wszyscy muszą maszynownie opuścić aby nie zginąć. Użycie CO2 szybko zdusi każdy pożar maszynowni. Po jakimś czasie trzeba jednak uruchomić mechaniczną wentylacje. Mogą być też potrzebne do akcji gaszenia ubocznego pożaru pompy wody. Potrzebna jest łączność aby wezwać pomoc. Powinna działać część automatyki i alarmy. Po to jest agregat awaryjny poza maszynownią. Musi być oczywiście umieszczony poza maszynownią. Jeśli agregat nie zadziała dojdzie do dużej szkody i zagrożenia ludzi !

Nieszczęścia rzekomo chodzą parami. Zwarcie w instalacji elektrycznej odcina dopływ energii i inicjuje pożar, który rozwijający się czujki mogą wykryć po paru minutach. Stad pożarowy system alarmowy musi mieć zasilanie awaryjne. Bez niego jest bezużyteczny.

Duży szpital musi mieć awaryjny agregat Diesla szybko automatycznie uruchamiany po zaniku zasilania z sieci energetycznej. Przez określony czas winien zasilić kluczowe odbiory w szpitalu. Sprawny akumulator zasila automatykę decydującą o rozruchu i rozrusznik silnika. Krótka przerwa ( oświetlenie, EKG , pompy, respirator ) nie przeszkodzi operującym chirurgom ale dłuższa przerwa może się skończyć śmiercią lub kalectwem pacjenta.

Każda katastrofy ma swoją dynamikę. Bardzo ważna jest szybkość reakcji. Jeśli zniszczono linie przesyłową to przy awaryjnym zasilaniu stacji rozdzielczych ze sprawną łącznością można szybko połączyć inną konfiguracje sieci. Bez energii elektrycznej może pozostać tylko garstka odbiorców.

Oczywiście najgorsza jest panika równa klęsce jako że jej podłożem jest niewiara we własne siły.

Centrale telefoniczne początkowo zasilano z prądnic prądu stałego a następnie z trójfazowych prostowników selenowych a później krzemowych. Mała oporność wewnętrzna akumulatora była bardzo potrzebna do tłumienia szkodliwych tętnień napięcia zasilania, będącym potencjalnie słyszalnym przez abonentów zakłóceniem !

Dawniej nie było kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności i użycie akumulatora w tej roli było koniecznością. Czy przepływ prądu zmiennego pulsacji przez akumulator jest mu obojętny ? Te krótkie mini cykle ładowania – rozładowania zmniejszają żywotność akumulatora !

Zatem dla długiej żywotności akumulator nie może występować w roli kondensatora filtru tętnień i filtru dla zmian prądu obciążenia!

Dostarczenie testowego prądu zmiennego do akumulatora jest proste. Wystarczy napięcie 2-3Vac z transformatora podać kondensatorem elektrolitycznym 4700 uF ( ileś połączonych równolegle )

do akumulatora uważając na biegunowość kondensatorów elektrolitycznych. Oczywiście test jest bardzo długi ale akumulator faktycznie traci swoją pojemność !

Akumulator jest powolnym urządzeniem elektrochemicznych . Szybko możemy zmierzyć tylko napięcie na nim i napięcie pod obciążeniem czyli wynikowo oporność wewnętrzną.

Bardzo powolne pomiary pojemności akumulatora można „zautomatyzować”. Prąd pobierany przez żarówkę w przybliżeniu jest proporcjonalny do pierwiastka z napięcia na niej. Przy rozładowaniu akumulatora z napięcia 2V na cele do 1.8V prąd żarówki zmieni się o circa 5%. Zastępując rzeczywistą krzywą napięcia rozładowania akumulatora linią prostą ( całkowanie trapezowe) z czasu rozładowania akumulatora żarówką pojemność akumulatora możemy zmierzyć z dokładnością lepszą od 1% i dużą powtarzalnością. Można dodatkowo zastosować pracochłonnie zmierzony współczynnik korekcyjny kształtu krzywej napięcia rozładowania w czasie.

Do pomiaru czasu można wykorzystać zegar elektryczny napędzany silniczkiem synchronicznym zasilanym z sieci lub zegar zasilany bateryjką 1.5V. Po spadku napięcia na celi do 1.8 V (czyli dla akumulatora samochodowego 10.8V ) odcinane jest ( układ jest bardzo prosty ) zasilanie zegara który się zatrzymuje i odłączane obciążenia aby akumulatora nie niszczyć.

Rzetelne zmierzenie żywotności akumulatora w samochodzie nie wymaga jechania - stawania nim miesiącami 24 godziny na dobę. Wystarczy co 10 min załączać na 5 sekund nieobciążony rozrusznik ale od znacznie większego silnika spalinowego lub dwa równolegle dedykowane rozruszniki. Akumulator ładujemy tak jak czyni to alternator samochodu przy różnej - mieszanej jeździe. Akumulator winien znajdować się w temperaturze otoczenia tylko zabezpieczony przed opadami atmosferycznymi. Po zimowym miesiącu test jest zakończony. Wykonano 24 x 6 x 30 = 4320 rozruchów.

Lepsze, regulowane symulacyjne obciążenie rozruchowe można wykonać łącząc równolegle jako „niewielki” element wykonawczy 40 tranzystorów mocy KD503 umieszczonych na blasze aluminiowej – radiatorze.

Samooszukiwanie się prowadzi do przegranych. Wydaje się że producenci samochodów winni zmierzyć ich rzeczywiste właściwości i popracować nad oczywistymi wadami. To jak samochody rdzewieją widzi każdy.

Właściwości krajowego akumulatora samochodowego w teście można porównać z renomowanym akumulatorem niemieckim lub amerykańskim lub japońskim.

Przykład niezawodnej automatyzacji procesu ładowania akumulatora.

Ładowarka ma charakterystykę zasilacza krzyżowego z dodatkową histerezą. Przy prądzie powyżej circa 0.02 C ( C to pojemność ) napięcie maksymalne wynosi 2.4 V ( oczywiście na jedną cele czyli dla akumulatora samochodowego 14.4 V ) a prąd 0.1C. Dla prądu poniżej 0.02C napięcie wyjściowe wynosi 2.25V. Histereza ( jest to 1 bitowa pamięć ) symuluje dla małych prądów skokową ujemną oporność wyjściową zasilacza. Mając zwykły - krzyżowy zasilacz laboratoryjny histerezę wykonamy ręcznie regulując napięcie po spadku prądu ładowania poniżej 0.02C.

Ładowanie kompletnie rozładowanego ( napięcie 2.1V , ale nie musi być kompletnie rozładowany bowiem algorytm jest uniwersalny) akumulatora prądem 0.1C zachodzi przez circa 8 godzin aż napięcie osiągnie poziom 2.4V i jest ono utrzymywane przy zmniejszającym się prądzie ładowania aż prąd spadnie poniżej 0.02 C co trwa ponad 4 godziny. Wówczas napięcie przełączane jest na 2.25V. Prąd ładowanie spada co circa 0.01C po kilku godzinach i jest już bliski 100% naładowania. Ale prąd dalej powoli spada aż do małej wartości po całkowitym 100% naładowaniu akumulatora.

Algorytm ten nie działa z akumulatorami NiCd nawet po zmianie napięć.

Powiększanie dla akumulatora ołowiowo – kwasowego początkowego ( przy pustym akumulatorze ca 8 godzin ) prądu 0.1 C istotnie nie skraca czasu kompletnego ładowania a skraca żywotność akumulatora i powiększa koszt ładowarki. Bezcenne są informacje podawane przez producenta konkretnego ( chodzi o rodzaj i technologie ) akumulatora.

Stosunkowo wysokie napięcie ładowania 2.4V ( circa trochę ponad 4 godziny ) czyli na granicy rozpoczęcia „gazowania” pozwala dalej wpompować w akumulator dość duży ładunek. Dalsze długie utrzymywanie tego napięcia dałoby szybki spadek trwałości akumulatora. Podtrzymywanie kompromisowego napięcia 2.25V pozwala naładować akumulator a z drugiej strony skrócenie jego żywotności ponad sytuacje gdy dajemy mu tylko prąd samorozładowania jest niewielkie.

Samorozładowanie akumulatora wynosi miesięcznie 3-25% ( szeroki jest zakres i znów użyteczne są dane producenta konkretnego akumulatora ) i zależy od użytej technologi akumulatora.

Samo jadro algorytmu ładowania polega na obniżeniu po zasadniczym ładowaniu napięcia aby akumulatora dłużej szkodliwie nie ładować. Sam zasilacz ładowarki nie musi być idealnie krzyżowy, wystarczy tego namiastka.

O tym że akumulator nie da się szybko naładować dużym prądem przekonuje nas bardzo ciężki rozruch silnika samochodu w zimną pogodę. Dobrym wskaźnikiem napięcia są żarówki samochodu. Już po chwili pracy silnika świecą one normalnie i jest stabilizowane normalne napięcie czyli akumulator nie pobiera bardzo dużego prądu ładowania. Jeśli silnik samochodu wyłączymy zbyt szybko to kolejny rozruch będzie już niemożliwy. Krótka praca silnika samochodu na mrozie bez jego rozgrzania jest dla niego szkodliwa. Cierpi więc nie tylko akumulator.

Czy możliwe jest poprawne naładowanie akumulatora prostym prostownikiem jednofazowym bez wygładzania impulsów prądu ? Ładowanie takie jest niestety długie i akumulator nie jest nigdy naładowany w 100%. Taka jest uroda procesów elektrochemicznych zachodzących w akumulatorze.

Jeśli więc dopuściliśmy do rozładowania w zimną pogodę samochodowego akumulatora to ratunkowe ładowanie go w domu ( gdzie jest już pokojowa temperatura ) prymitywnym prostownikiem niestety już żywotności mu nie przywróci.

N.B. Quasi stabilizacje prądu ładowania daje szeregowe zastosowanie żarówki.

Zakres mocy zasilaczy – ładowarek akumulatorów jest szeroki. Duża centrala telefoniczna może konsumować przy napięciu nominalnym 48V prąd zasilania rządu 2000 A a do tego ewentualnie jeszcze dochodzi prąd ładowania akumulatorów po przerwie dostawy energii elektrycznej. W centrali z systemem elektronicznym lokalne stabilizowane napięcie / napięcia wytwarzają przetwornice bowiem nie sposób jest rozprowadzić napięcie +5V z dużym prądem w rozbudowanym systemie.

Przyszłościowym rozwiązaniem są zasilacze impulsowe. Maksymalne moce impulsowych zasilaczy komputerowych wynoszą 1-2 KW.

N.N. Warto zauważyć że niedawno rozbudowane systemy komputerowe ( nie minikomputerowe ale komputerowe ) były nierzadko zasilane z przetwornicy maszynowej: trójfazowy silnik asynchroniczny – prądnica prądu stałego ! Przewymiarowany silnik asynchroniczny pracował dalej także przy braku jednej fazy co było ogromna zaletą rozwiązania.

Najgorsze jest wykorzystanie gabarytu mocy ( Uceo x Ic ) tranzystora – przełącznika i ferrytowego transformatora w przetwornicy Flyback, lepsze w asymetrycznej jedno lub dwu tranzystorowej przetwornicy Forward a najlepsze w przetwornicy pół mostkowej lub pełno mostkowej Forward.

W konfiguracji pół i pełnomostkowej możliwe i łatwo realizowalne jest sterowanie quasi proporcjonalne bazy – prąd bazy jest tym większy im większe jest prąd kolektora co pozwala optymalizować proces szybkiego przełączania tranzystorów.

SMPS w modzie Forward zawsze mają wyjściowy dławik magazynujący w ramach cyklu pracy energie pompowaną z prostownika sieciowego przy załączeniu kluczy do wyjścia zasilacza. Toteż dla „małych” mocach sumarycznie najtańszym w produkcji rozwiązaniem jest przetwornica Flyback. W kolorowych odbiornikach telewizyjnych stosowane są tylko i wyłącznie przetwornice Flyback. Jest to najczęściej, masowo produkowana w świecie przetwornica. Drugim najczęstszym zastosowaniem SMPS jest przetwornica do mikrokomputera. Koszt przetwornicy stanowi istotną część kosztu całej elektroniki odbiornika TVC. Zasilacz SMPS jest jeszcze drogi ale trend cen od lat jest spadający. Produkcje tranzystorów wysokonapięciowych opanowały praktycznie wszystkie koncerny półprzewodnikowe. CEMI jest kompletnym dziwacznym wyjątkiem. Tranzystor wysokonapięciowy jest istotnie droższy od „niskonapięciowego” (<150V) tranzystora takiej samej mocy w takiej samej obudowie ale różnica ta cały czas maleje.

Tranzystory bipolarne mają nieprzekraczalną stałą materiałowa krzemu ( germanu, arsenku galu..) Uce x Ft. Obecne produkowane tranzystory są jeszcze daleko od fizycznej granicy ale praktycznie im tranzystor ma większe napięcie Uceo tym jest wolniejszy. Zasilacze impulsowe dużej mocy muszą być zasilane z trójfazowych mostków diodowych z kondensatorem. Konieczne jest zastosowanie tranzystora o znacznym Uceo i większym niż w przetwornicy zasilanej z mostka jednofazowego. Tranzystor na wyższe napięcie Uceo jest wolniejszy co daje większe straty dynamiczne przy przełączaniu. Rozwiązaniem jest dodatkowa selekcja tranzystorów na większe napięcie Uceo i zabezpieczenia w układzie sterującym zasilacza impulsowego.

Zdaniem autora obecny ekonomiczny ( najtańsza jednostka mocy wyjściowej ) pułap mocy dla zasilaczy impulsowych zasilanych z sieci trójfazowej wynosi około 10 KW z częstotliwością pracy 20 KHz lub odrobinę większą. Zasilacze z systemem podziału prądu obciążenia ( ang. Load Sharing ) można łączyć równolegle jeśli to jest potrzebne.

Bardzo szybkim kluczem jest tranzystor Power Mosfet ale właściwości ferrytu rdzenia transformatora limitują częstotliwość pracy do 60-100 KHz. Potrzeba więc opracowania lepszych ferrytów „mocy”.

Do ładowania akumulatorów stosowane są półsterowane fazowo trójfazowe mostki 3D + 3T. Dawniej role przełącznika sterowanego fazowo spełniały rdzenie nasycanych dławików w szybkich wzmacniaczach magnetycznych Rameya. Nasycanie rdzeni dławików jest powolniejsze niż załączanie tyrystorów i układy wzmacniaczy magnetycznych generują mniej wysokich harmonicznych niż sterowane fazowo prostowniki tyrystorowe.

Krajowy prostownik ( zastosowanie głównie na statkach ) do ładowania akumulatorów „Famor” TB6022 zawiera półsterowany trójfazowy mostek prostowniczy 3D + 3T. Daje regulowany prąd ładowania 5-100A przy napięciu 24-37 V. Jest to zasilacz o charakterystyce krzyżowej. Urządzenie nie zawiera algorytmu ładowania akumulatorów, który musi wykonać obsługa jeśli zależy jej na trwałości akumulatorów i ich pełnym naładowaniu .

Urządzenie TB6023 jest zasilaczem tranzystorowym o napięciu 24Vdc i ciągłym prądzie obciążenia do 60A. Elementem wykonawczym jest 16 połączonych równolegle tranzystorów mocy 2N3055 lub podobnych.

Całość dopiero trzeba jakoś połączyć ( konieczne są dodatkowe urządzenia) w użyteczny zasilacz 24V z funkcją Standby. Wyrób jest zatem mocno niedopracowany.

Tyrystory sterowane fazowo wprowadzają do sieci zasilającej liczne wysokie harmoniczne. Z tego względu są źle widziane w zasilaczach - ładowarkach w centralach telefonicznych. Harmoniczne obniża indukcyjność rozproszenia transformatora ale zwiększa ona szkodliwą rezystancje wyjściową prostownika.

Stosowano różne ciekawe rozwiązania. Napięcie z regulowanego trójfazowego autotransformatora podawane jest do pomocniczego transformatora trójfazowego o przekładni 5:1 – 7:1 podnoszącego napięcie zasilania sieciowego transformatora mocy prostownika o 0...14-20%. Konfiguracja taka pozwala minimalizować moc nietaniego autotransformatora. Transformator mocy ma też odczep na uzwojeniu sieciowym użyty gdy napięcie sieciowe jest trwale obniżone. Autotransformator z rzadka regulowany jest prostym serwomechanizmem lub przez przywołanego sygnałem akustycznym błędu regulacji człowieka.

Prostownik diodowy musi być conajmniej 6 pulsowy. Zastosowanie prostownika 12 pulsowego pozwala zmniejszyć dławik filtracyjny jednak kosztem dwóch uzwojeń wtórnych ( gwiazda i trójkąt dla uzyskania przesunięcia fazy napięć o 30 deg ) transformatora mocy prostownika.

Dławik filtracyjny musi mieć szczelinę w rdzeniu aby uniknąć jego nasycenia.

W przeszłości dławiki filtracyjne ze szczeliną w rdzeniu z blachy transformatorowej stosowano w zasilaczach urządzeń lampowych ( także RTV ) z braku kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności. Szczelinę miał także w rdzeniu transformator głośnikowy lampowego stopnia wzmacniacza klasy A z lampami ECL82, 86 lub EL84.

Tętnienia prostowników zmniejsza się filtrami z kondensatorami i dławikami.

Z praw podobieństwa wynika że waga transformatorów mocy i dławików rośnie z wykładnikiem 3/4 ich mocy. Zatem efekt skali jest bardzo silny.

Z kolei dużej pojemności kondensator powstaje z równoległego połączenia największych dostępnych jednostek kondensatorów czyli koszt rośnie liniowo z pojemnością zespołu połączonych kondensatorów. Wynika z tego że energia pola magnetycznego „zmagazynowana” w szczelinie dławika staje się tańsza dopiero powyżej pewnej energii od energii magazynowanej w kondensatorze. Energia ta zależy od wielu czynników jak cena miedzi, stali elektrotechnicznej, aluminium, różnych chemikali, technologi i praca ludzka. Zmienia się ona w miarę rozwoju cywilizacji co ma wpływ na optymalną konstrukcje zasilaczy.