Zasilacze impulsowe praktycznie wyparły z rynku tradycyjne zasilacze liniowe i jest to obecnie najpopularniejsza i największa grupa zasilaczy. Ich zaletą w stosunku do zasilaczy liniowych są małe gabaryty, niewielki ciężar, wysoka sprawność i wydajność, a także dobra cena. Wadę stanowią stopień skomplikowania konstrukcji, a także dużo większy poziom zakłóceń generowanych przez zasilacz oraz zwiększony poziom zakłóceń na wyjściu.

Najczęściej spotykane typy zasilaczy impulsowych:

A - desktop

B - modułowe

C - LED

D - wtyczkowe

E - na szynę DIN

Podstawowa zasada działania zasilacza impulsowego

W zasilaczach impulsowych wykorzystuje się modulację szerokości impulsu PWM (Pulse Width Modulation), czyli napięcie wyjściowe zasilacza regulowane jest za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia przy stałej, niezmienionej częstotliwości.

Rysunek poniżej pokazuje zasadę działania PWM.

U - napięcie

t - czas

Uin - napięcie wejściowe

Uout - napięcie wyjściowe

T - okres (ilość okresów na sekundę to częstotliwość wyrażona w Hz, kHz albo MHz)

t1 - czas trwania impulsu (stan wysoki)

t2 - brak impulsu

Skrócenie czasu trwania impulsu (t1) skutkuje zmniejszeniem średniej wartości napięcia wyjściowego (Uout) i odwrotnie: wydłużenie czasu trwania impulsu (t1) skutkuje zwiększeniem średniej wartości napięcia wyjściowego (Uout). Widać to na wykresach powyżej:

• po lewej mały współczynnik wypełnienia – mniejsza wartość napięcia wyjściowego U_out,
• po prawej duży współczynnik wypełnienia – większa wartość napięcia wyjściowego U_out.

Wartość średnią napięcia na wyjściu można łatwo obliczyć za pomocą wzoru:

Schemat i opis pokazujące zasadę działania zasilacza impulsowego:

1 - wejście napięcia przemiennego

2 - bezpiecznik

3 - filtr wejściowy

4 - układ prostowniczy w postaci mostka Graetza

5 - tranzystor kluczujący

6 - kontroler PWM

7 - optoizolator (izolacja galwaniczna)

8 - transformator impulsowy

9 - prostownik

10 - filtr wyjściowy

11 - wyjście napięcia stałego

Napięcie przemienne sieciowe, np. 230 V (1), przechodzi przez filtr wejściowy z elementami LC (3). Jest to ważny element, który chroni sieć energetyczną przed zakłóceniami powstającymi w zasilaczu oraz ochrania zasilacz przed zakłóceniami pochodzącymi z sieci energetycznej. Napięcie przemienne jest prostowane przy pomocy mostka prostowniczego (4) i po wyprostowaniu, jako napięcie stałe, dochodzi do transformatora (8), który jest kluczowany przez tranzystor (5), czasami zwanym przełącznikiem. Tranzystor włącza i wyłącza prąd o przebiegu prostokątnym z określoną częstotliwością (możliwą w zakresie od 20 kHz do kilkuset kHz, a nawet MHz), wykorzystując modulację szerokości impulsu PWM. Tranzystor sterowany jest za pomocą układu sprzężenia zwrotnego (6, 7), który składa się z optoizolatora i kontrolera (sterownika) PWM. Układ bada, jakie jest napięcie na wyjściu i w zależności od tego, czy wzrasta, czy maleje, zmienia szerokość impulsu (wypełnienie), sterując tranzystorem i regulując je tak, aby na wyjściu zawsze było stałe napięcie. Układ ten, badając napięcie na wyjściu, działa z dużą szybkością, co pozwala utrzymywać stałe napięcie wyjściowe i w miarę jak rośnie lub maleje natychmiast korygować zmiany, aby było utrzymywane na stałym poziomie. Napięcie prostokątne na wyjściu transformatora (8) jest prostowane (9) i następnie przechodzi przez filtr wyjściowy (10), który powinien „zablokować” wyższe harmoniczne i zakłócenia generowane przez pracę przetwornicy. Na wyjściu (11) zasilacza impulsowego uzyskujemy stabilizowane napięcie stałe.

Kilka sugestii, na jakie parametry należy zwrócić uwagę, wybierając zasilacz impulsowy.

Napięcie wejściowe (Input Voltage)

W Polsce i Unii Europejskiej napięcie w sieci energetycznej wynosi 230 V AC (wyjątkiem jest Wielka Brytania – 240 V AC). Normy dopuszczają odchylenie 10%, czyli napięcie sieciowe może wahać się od 207 V do 253 V AC. Warto więc dobrać zasilacz z szerokim zakresem napięć wejściowych, np. 100–264 V AC.

Prąd rozruchu (Max Inrush Current)

Po włączeniu zasilacza pojawia się duży impuls prądowy, który może osiągać duże wartości w zależności od mocy zasilacza, rzędu kilkudziesięciu amperów, trwające do 1 okresu, czyli przy częstotliwości 50 Hz AC do 20 ms. Zjawisko to powodowane jest ładowaniem kondensatorów wejściowych. Może to stanowić problem np. przy jednoczesnym załączaniu kilku zasilaczy albo użyciu zasilacza o większej mocy. Duży prąd rozruchowy może spowodować zadziałanie zabezpieczeń w sieci energetycznej (bezpieczników, wyłączników nadmiarowych itp.). Wyjściem z tej sytuacji jest zmiana bezpieczników nadprądowych na typ C lub D.

Sprawność (Efficiency)

Jest to stosunek mocy wyjściowej prądu stałego (oddawanej przez zasilacz) do mocy wejściowej prądu przemiennego (pobieranej z sieci) wyrażony w procentach.

Sprawność oznacza się literą alfabetu greckiego „eta”: η. W każdym urządzeniu przetwarzającym energię część mocy pobieranej idzie na straty i właśnie sprawność pozwala oszacować moc strat. Na ten parametr należy zwrócić uwagę, ponieważ im wyższa sprawność, tym mniej energii idzie na straty, co powoduje, że wewnątrz zasilacza będzie niższa temperatura, a to skutkuje zwiększeniem niezawodności i wydłużeniem czasu życia urządzenia. Obecnie produkowane zasilacze impulsowe osiągają nawet sprawność > 90% (zasilacze transformatorowe/liniowe mają małą sprawność energetyczną, nieprzekraczającą 50%).

Wzór na sprawność:

η – sprawność wyrażona w procentach

Pout – moc wyjściowa

Pin - moc wejściowa