Tekst źródłowy strony Zasilacz transformatorowy

[[Plik:Zasilacz 12V 1A.jpg|thumb|300px|Zasilacz transformatorowy 12 V 1 A prądu stałego]]
'''Zasilacz transformatorowy''' (zasilacz liniowy) – [[zasilacz]], w którym na wejściu zastosowano [[transformator]] transformujący wejściowe napięcie przemienne do takiej wartości, by (po wyprostowaniu i ewentualnej [[Stabilizator (elektronika)#Stabilizatory liniowe napięcia (prądu) stałego|stabilizacji liniowej]]) na wyjściu zasilacza uzyskać żądane napięcie stałe. Zasilacze transformatorowe są zasilane z [[Sieć niskiego napięcia|sieci elektroenergetycznej]] (najczęściej 230 V, 50 Hz) i służą zwykle do zasilania urządzeń o niskim napięciu.

== Budowa i zasada działania ==
[[Plik:Zasilacz transformatorowy schemat blokowy.svg|thumb|300px|Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza transformatorowego]]

W konstrukcji zasilacza transformatorowego można wyróżnić trzy zasadnicze elementy (patrz rys. 1):
* transformator,
* układ prostująco-filtrujący,
* [[Stabilizator (elektronika)|stabilizator napięcia]] (w prostszych zasilaczach może być pominięty).

Dobór tych elementów decyduje o parametrach wyjściowych zasilacza: napięciu, maksymalnym [[Prąd elektryczny|prądzie]] i poziomie [[prąd tętniący|tętnień]].

=== Transformator ===
{{osobny artykuł|transformator}}
[[Transformator]] służy do zmiany wartości napięcia wejściowego do wartości zbliżonej do wymaganej przez zasilane urządzenie. W zależności od przekładni transformatora (czyli stosunku ilości zwojów w uzwojeniu wtórnym do ilości zwojów w uzwojeniu pierwotnym), może on zmniejszać lub zwiększać wartość napięcia. Dodatkowo zastosowanie transformatora pozwala na [[separacja galwaniczna|separację galwaniczną]] zasilanego urządzenia od sieci elektroenergetycznej.

Dobierając transformator trzeba uwzględnić wiele czynników mających wpływ na pracę zasilacza, takich jak<ref name=Elektronika>{{cytuj stronę| url = https://ea.elportal.pl/zasilacze.html |tytuł = Elektronika analogowa - teoria - zasilacze| język = pl |data dostępu = 2016-04-30}}</ref>:
* wahania napięcia sieciowego 230 V w granicach ±10%,
* spadek napięcia na prostowniku i stabilizatorze,
* minimalną wartość napięcia potrzebnego do poprawnej pracy układu stabilizatora,
* straty napięcia wyjściowego wynikające z rezystancji wewnętrznej uzwojeń transformatora,
* wymaganą moc wyjściową zasilacza.

W przypadku gdy zasilacz ma dostarczać kilku różnych napięć, stosuje się transformatory z kilkoma uzwojeniami. Pociąga to za sobą konieczność użycia kilku prostowników, ale jednocześnie pozwala na zmniejszenie mocy transformatora oraz na separację obwodów dostarczających poszczególne napięcia<ref name=Elektronika />.

=== Prostownik i układ filtrujący ===
[[Plik:Full-wave rectified waveform with filtering.svg|thumb|Rys. 2. Filtrowanie [[prąd tętniący|napięcia tętniącego]]. Kolor niebieski – przebieg napięcia wyjściowego prostownika, kolor czerwony – przebieg napięcia na kondensatorze filtrującym.]]
{{osobny artykuł|Prostownik}}

Napięcie przemienne z transformatora jest przetwarzane na napięcie stałe przy pomocy układu [[prostownik]]a. Napięcie wyjściowe takiego prostownika ma przebieg tętniący (zobacz rys. 2). Równoległe dołączenie [[kondensator]]a filtrującego o odpowiedniej pojemności pozwala na znaczne zmniejszenie amplitudy tętnień. Im większa jest pojemność użytego kondensatora, tym napięcie wyjściowe ma przebieg bardziej zbliżony do przebiegu stałego.

W zależności od konstrukcji wyróżnia się dwa typy prostowników:
* [[prostownik#Jednopołówkowe (półokresowe)|Prostownik jednopołówkowy]] – składa się z pojedynczej [[dioda prostownicza|diody prostowniczej]]. Energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu, więc nawet przy niedużych obciążeniach kondensator filtrujący jest mocno rozładowywany i na wyjściu pojawiają się duże [[prąd tętniący|tętnienia]]. Układ prostownika jednopołówkowego jest stosowany tylko przy małych obciążeniach i w wypadku, gdy nie mają znaczenia duże tętnienia napięcia wyjściowego<ref name=Elektronika />.
* [[prostownik|Prostownik dwupołówkowy mostkowy]] – wykorzystuje [[mostek Graetza]]. Dzięki temu, że energia źródła jest pobierana przez cały okres, napięcie wyjściowe charakteryzuje się w przybliżeniu dwukrotnie mniejszymi tętnieniami niż w układzie z prostownikiem jednopołówkowym<ref name=Elektronika />. Ze względu na to, że prąd płynie zawsze przez dwie diody połączone szeregowo, napięcie na kondensatorze filtrującym jest pomniejszone o podwójny spadek napięcia przewodzenia diody, co jest mniej korzystne niż w przypadku prostownika jednopołówkowego<ref name=Elektronika />. Jest to najczęściej stosowany typ prostownika.
* Czasami stosuje się [[prostownik|prostownik dwupołówkowy z transformatorem z dzielonym uzwojeniem wtórnym]] (tzw. transformator z odczepem). Środkowy odczep uzwojenia wtórnego transformatora jest podłączony do masy układu. Dzięki wykorzystaniu tylko dwóch diod uzyskuje się mniejszy spadek napięcia niż w przypadku tradycyjnego prostownika dwupołówkowego. Moc oddawana przez każde z uzwojeń wtórnych transformatora może być dwa razy mniejsza niż dla układu mostkowego, lecz jest to okupione dwukrotnym zwiększeniem rezystancji wewnętrznej transformatora, a co za tym idzie większymi stratami napięcia na transformatorze. W związku z tym układ taki stosuje się tylko przy małych napięciach wyjściowych, dla których spadek napięcia na diodzie prostowniczej (ok. 0,7 V) jest wartością znaczną<ref name=Elektronika />.

Kondensator filtrujący umieszczony na wyjściu układu prostownika dwupołówkowego wpływa na wielkość tętnień napięcia wyjściowego <math>U_{tpp},</math> zgodnie ze wzorem<ref name=Elektronika />:
:: <math>U_{tpp} = \frac {I_{wy}}{2 \cdot C \cdot f}</math>

gdzie:
: <math>I_{wy}</math> – prąd wyjściowy,
: <math>C</math> – pojemność kondensatora filtrującego,
: <math>f</math> – częstotliwość napięcia wejściowego (dla napięcia sieciowego 230&nbsp;V w Polsce jest to 50&nbsp;Hz).

Tak więc im większa pojemność kondensatora, tym tętnienia mniejsze. Po przekształceniu wzoru można otrzymać zależność na wartość pojemności kondensatora filtrującego przy zakładanych wartościach tętnień i prądu wyjściowego<ref name=Elektronika />:
:: <math>C = \frac {I_{wy}}{2 \cdot f \cdot U_{tpp}}</math>

Jak widać, im większy prąd wyjściowy, tym większa powinna być pojemność kondensatora.

Przykład: napięcie tętnień ma wynosić 0,5&nbsp;V przy prądzie wyjściowym równym 1,5&nbsp;A, to obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C=30000&nbsp;µF, co jest bardzo dużą wartością. W praktyce stosuje się o wiele mniejsze pojemności, godząc się z większymi tętnieniami<ref name="Elektronika" />.

=== Stabilizator ===
{{osobny artykuł|Stabilizator (elektronika)}}

Jeżeli pożądane jest zmniejszenie tętnień w napięciu wyjściowym, to w zasilaczu stosuje się odpowiednie układy [[Stabilizator (elektronika)|stabilizatorów]]<ref name=Elektronika />. Ich zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia niezależnie od obciążenia układu i wahań napięcia zasilającego. [[Stabilizator (elektronika)#Stabilizatory liniowe napięcia (prądu) stałego|Stabilizator liniowy]] typowego zasilacza transformatorowego wymaga, by napięcie na wejściu stabilizatora było odpowiednio wyższe od napięcia wyjściowego. Ta minimalna (lub wyższa) różnica napięć wynika z konstrukcji stabilizatora i musi być zagwarantowana przez cały czas pracy układu, z uwzględnieniem cyklicznych zmian napięcia wejściowego spowodowanych przez tętnienia. Jednocześnie przez stabilizator płynie prawie cały prąd wyjściowy zasilacza. Iloczyn tego prądu i spadku napięcia na stabilizatorze jest mocą strat, powodującą wytwarzanie ciepła. By zabezpieczyć stabilizator przed przegrzaniem stosuje się [[radiator]]y<ref name=Urzadzenia />.

== Podsumowanie ==
Podstawową zaletą zasilaczy transformatorowych jest prosta konstrukcja, składająca się tylko z kilku elementów. Do wad można zaliczyć:
* Duże rozmiary transformatora, wynikające z faktu, że zasilacze te pracują z napięciem o częstotliwości 50&nbsp;Hz. Ma to wpływ na masę zasilacza – dla przykładu przy napięciu wyjściowym 16 V, na każdy [[amper]] prądu wyjściowego przypada około 0,5&nbsp;kg masy<ref name=Urzadzenia>{{cytuj stronę| url = http://pecetmania.pl/praktyka_pc/pliki/opis_zasilacz_atx.pdf |tytuł = Urządzenia techniki komputerowej - zasilacz |autor = J. Kluczewski| język = pl |data dostępu = 2016-04-30}}</ref>.
* Straty mocy w stabilizatorze, który rozprasza pewną ilość mocy w postaci ciepła. Przy dużych prądach lub dużej różnicy napięć między wejściem a wyjściem stabilizatora (spotykanej zwłaszcza w zasilaczach regulowanych) wymagane są duże radiatory.
* Niska sprawność konwersji mocy – na poziomie 50%<ref name=Urzadzenia />.

Ze względu na większą wydajność zasilaczy impulsowych oraz coraz bardziej ekologiczne wykorzystanie materiałów przez producentów, zasilacze transformatorowe są wycofywane z użycia i prawie nie montowane w nowych urządzeniach. Aktualnie żaden producent nie stosuje zasilaczy transformatorowych do zasilania komputerów lub ładowarek telefonów komórkowych. [[zasilacz impulsowy|Zasilacze impulsowe]] są mniejsze gabarytowo i mają znacznie lepszą sprawność. Dawniej konstrukcje zasilaczy impulsowych uchodziły za skomplikowane i było to jedną z przyczyn dużego rozpowszechnienia zasilaczy transformatorowych, szczególnie w zastosowaniach amatorskich. Obecnie dostępne są wyspecjalizowane [[układ scalony|układy scalone]] przeznaczone do wykorzystania w zasilaczach impulsowych, ułatwiające ich projektowanie i ograniczające liczbę wymaganych elementów zewnętrznych do niezbędnego minimum. Niemniej, zasilacze transformatorowe są nadal chętnie wykorzystywane w prostych projektach amatorskich, ze względu na prostotę budowy i odporność na błędy konstrukcyjne. Ponadto w porównaniu z zasilaczami impulsowymi, zasilacze transformatorowe są w mniejszym stopniu źródłem zakłóceń elektromagnetycznych, zwłaszcza w obszarze wysokich częstotliwości. Ma to znaczenie w przypadku specjalistycznych zastosowań laboratoryjnych (zob. [[kompatybilność elektromagnetyczna]]).

== Zobacz też ==
* [[przetwornica]]
* [[zasilacz beztransformatorowy]]
* [[zasilacz impulsowy]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

[[Kategoria:Zasilacze]]