Zasilacze impulsowe

Czym jest zasilacz impulsowy?

Zasilacz impulsowy jest układem elektronicznym przeznaczonym do przekształcania energii elektrycznej z wykorzystaniem szybkiego przełączania elementów półprzewodnikowych.

W przeciwieństwie do tradycyjnych zasilaczy liniowych zasilacz impulsowy może uzyskać wysoką sprawność, niewielkie wymiary oraz szeroki zakres funkcji zabezpieczających.

Zastosowanie zasilaczy impulsowych

Zasilacze impulsowe są powszechnie stosowane w systemach automatyki przemysłowej.

Zasilają między innymi:

• sterowniki PLC,
• panele HMI,
• moduły wejść i wyjść,
• czujniki,
• przekaźniki,
• elementy wykonawcze,
• urządzenia komunikacyjne,
• układy sterowania,
• inne moduły elektroniki przemysłowej.

Awaria zasilacza może więc wpływać na pracę wielu urządzeń jednocześnie.

Podstawowe elementy zasilacza impulsowego

Typowy zasilacz impulsowy składa się z kilku podstawowych bloków.

Można w nim znaleźć:

• filtr wejściowy,
• prostownik,
• kondensator obwodu pośredniego,
• sterownik PWM,
• tranzystor mocy,
• transformator impulsowy,
• prostownik strony wtórnej,
• filtr wyjściowy,
• układ sprzężenia zwrotnego,
• układy zabezpieczające.

Awaria jednego z tych bloków może spowodować nieprawidłową pracę całego zasilacza.

Najczęstsze objawy awarii

Uszkodzenie zasilacza impulsowego może powodować:

• brak napięcia wyjściowego,
• niestabilne napięcie,
• zwiększone tętnienia,
• samoczynne wyłączanie,
• cykliczne uruchamianie,
• przeciążenia,
• wybijanie zabezpieczeń,
• przegrzewanie,
• nadmierny pobór prądu.

Objaw należy analizować razem z warunkami, w których występuje.

Problemy po stronie pierwotnej

Strona pierwotna jest związana z napięciem wejściowym oraz przetwarzaniem energii przed transformatorem impulsowym.

Awarii mogą ulec:

• bezpieczniki,
• warystory,
• mostki prostownicze,
• kondensatory,
• tranzystory mocy,
• rezystory startowe,
• sterowniki PWM,
• elementy zabezpieczające.

Uszkodzenie jednego z tych elementów może całkowicie zatrzymać pracę przetwornicy.

Problemy po stronie wtórnej

Strona wtórna odpowiada za uzyskanie i filtrację napięcia wyjściowego.

Należy sprawdzić:

• diody prostownicze,
• tranzystory,
• kondensatory,
• dławiki,
• elementy zabezpieczające,
• układ sprzężenia zwrotnego,
• przewody i zaciski wyjściowe.

Zwarcie po tej stronie może spowodować zadziałanie zabezpieczenia całej przetwornicy.

Uszkodzenia tranzystorów mocy

Tranzystory mocy pracują pod dużym obciążeniem elektrycznym i termicznym.

Ich uszkodzenie może powodować:

• zwarcie po stronie pierwotnej,
• przepalenie bezpiecznika,
• brak pracy przetwornicy,
• uszkodzenie sterownika PWM,
• nadmierny pobór prądu.

Po wymianie tranzystora należy sprawdzić również jego sterowanie oraz elementy współpracujące.

Uszkodzenia układów PWM

Sterownik PWM odpowiada za generowanie impulsów sterujących tranzystorem mocy.

Jego awaria może powodować:

• brak napięcia wyjściowego,
• brak impulsów sterujących,
• niestabilną pracę,
• cykliczne uruchamianie,
• nieprawidłową regulację napięcia.

Brak impulsów PWM nie zawsze oznacza uszkodzenie samego sterownika. Przyczyną może być również aktywne zabezpieczenie lub problem z jego zasilaniem.

Problemy ze sprzężeniem zwrotnym

Sprzężenie zwrotne odpowiada za kontrolowanie napięcia wyjściowego i przekazywanie informacji do układu sterowania.

Uszkodzenie elementów tego toru może powodować:

• zbyt wysokie napięcie,
• zbyt niskie napięcie,
• niestabilność,
• cykliczne wyłączanie,
• błędną regulację.

W zależności od konstrukcji w obwodzie mogą występować między innymi transoptory, układy referencyjne i dzielniki napięcia.

Zużycie kondensatorów

Kondensatory elektrolityczne należą do elementów, których parametry mogą pogarszać się wraz z czasem i temperaturą.

Ich zużycie może powodować:

• zwiększenie tętnień,
• spadki napięcia,
• problemy z uruchamianiem,
• niestabilność,
• przegrzewanie,
• samoczynne wyłączanie.

Podczas diagnostyki warto sprawdzić nie tylko pojemność, ale również ESR.

Przeciążenie i zwarcie

Zasilacz może wyłączyć napięcie wyjściowe w przypadku przeciążenia lub zwarcia.

Źródłem problemu może być:

• uszkodzony odbiornik,
• zwarcie przewodu,
• przeciążenie instalacji,
• zbyt duży prąd rozruchowy,
• awaria samego zasilacza.

Przed rozpoczęciem naprawy należy wykluczyć problemy po stronie obciążenia.

Przegrzewanie zasilacza

Temperatura ma duży wpływ na niezawodność zasilacza impulsowego.

Przyczyną przegrzewania może być:

• przeciążenie,
• niesprawny wentylator,
• zabrudzony radiator,
• wysoka temperatura otoczenia,
• uszkodzony element mocy,
• pogorszone chłodzenie.

Długotrwała praca w podwyższonej temperaturze może przyspieszać zużycie kondensatorów i innych elementów.

Diagnostyka zasilacza impulsowego

Diagnostykę warto prowadzić od wejścia do wyjścia urządzenia.

Należy sprawdzić:

• napięcie wejściowe,
• zabezpieczenia,
• prostownik,
• obwód pośredni,
• zasilanie sterownika PWM,
• tranzystor mocy,
• transformator,
• stronę wtórną,
• sprzężenie zwrotne,
• napięcie wyjściowe.

Pomiary należy wykonywać również pod obciążeniem, ponieważ część usterek ujawnia się dopiero podczas pracy.

Pomiary oscyloskopowe

Oscyloskop jest szczególnie przydatny przy diagnostyce zasilaczy impulsowych.

Pozwala obserwować:

• przebiegi PWM,
• sygnały sterujące tranzystorem,
• tętnienia napięcia,
• przepięcia,
• przebiegi startowe,
• zachowanie przetwornicy przy zmianie obciążenia.

Dzięki temu można wykryć problemy niewidoczne podczas pomiaru multimetrem.

Naprawa zasilacza impulsowego

Zakres naprawy zależy od rodzaju uszkodzenia.

Może obejmować:

• wymianę tranzystorów mocy,
• wymianę diod,
• naprawę sterownika PWM,
• wymianę kondensatorów,
• naprawę sprzężenia zwrotnego,
• wymianę elementów zabezpieczających,
• naprawę zasilania pomocniczego,
• naprawę uszkodzonych ścieżek PCB.

Najważniejsze jest ustalenie przyczyny awarii, a nie tylko wymiana elementu, który uległ uszkodzeniu.

Test zasilacza po naprawie

Po zakończeniu naprawy zasilacz powinien zostać dokładnie przetestowany.

Należy sprawdzić:

• napięcie wyjściowe,
• tętnienia,
• pobór prądu,
• stabilność pod obciążeniem,
• temperaturę,
• działanie zabezpieczeń,
• reakcję na zmianę obciążenia.

W przypadku bardziej złożonych napraw warto wykonać również dłuższy test pracy.

Podsumowanie

Zasilacze impulsowe są podstawowym źródłem energii dla wielu urządzeń automatyki przemysłowej. Ich awarie mogą dotyczyć strony pierwotnej, wtórnej, układów PWM, elementów mocy, sprzężenia zwrotnego oraz systemów zabezpieczeń.

Systematyczna diagnostyka pozwala określić rzeczywistą przyczynę problemu i w wielu przypadkach umożliwia naprawę zasilacza na poziomie komponentów bez konieczności wymiany całego urządzenia.