Projektowanie układów zasilania pod kątem odporności na zakłócenia

Poprawnie zaprojektowany stopień zasilania układu elektronicznego jest podstawą sukcesu niezawodnego działania całości. Ma to szczególne znaczenie w przypadku układów elektronicznych wykorzystujacych mikrokontrolery, a jednocześnie sterujących urządzeniami większych mocy bądź pracujących w sąsiedztwie urządzeń generujących spore zakłócenia. Przykładami takich układów elektronicznych mogą być sterowniki silników, sterowniki procesów przemysłowych, układy pomiarowe pracujące w sąsiedztwie  zakłóceń elektrycznych/elektromagnetycznych, precyzyjne przetworniki pomiarowe do pomiarów niewielkich sygnałów elektrycznych i nieelektrycznych itd.. W poniższym artykule zebrane zostaną najważniejsze infromacje dotyczące poprawności projektowania stopni zasilania,a także obwodów zasilających czułe na zakłócenia elementy elektroniczne.

Skutki błednie zaprojektowanego stopnia zasilania 

Zasilanie w układzie elektronicznym może zostać zakłocone przepięciami pojawiającymi się na liniach zasilania wysokiego napięcia (230V..), skokami napięcia spowodowanymi załączaniem elementów o charakterze indukcyjnym (cewki przekaźników, silniki), spadkami napięć wywołanych przez pracę innych elementów bądź urządzeń zasilanych z tego samego źródła zasilania, zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Niepoprawnie zaprojektowany stopień zasilania w układzie elektronicznym, szczególnie takim w którym wykorzystywane są wrażliwe na zmiany zasilania  mikrokontrolery, może doprowadzić do zawieszania się mikrokontrolera, niewłaściwej pracy układu, nieprzewidzianych zachowań, błędnych pomiarów. W skrajnych przypadkach układ taki może w ogóle nie dać się uruchomić, bądź nie działać zgodnie z założeniami.

W układach przemysłowych, ma to szczególne znaczenie, gdyż wszelka, nieprzewidziana praca układu elektronicznego - sterującego np. silnikiem, procesem przemysłowym itp. może nieść za sobą negatywne w skutkach konsekwencje.  Nie wspominamy tutaj o układach elektronicznych wykorzystywanych w motoryzacji, a już szczególnie w medycynie - tutaj elektronika musi być w 100% niezawodna, gdyż od niej niejednokrotnie zależy ludzkie życie.

W amatorskich konstrukcjach urzadzeń elektronicznych często podczas projektowania układu elektronicznego częśc zasilająca jest bagatelizowana. Ma to także negatywny wpływ na poprawność działania całości. Niejednokrotnie powoduje to np. zawieszanie się programu sterującego robotem mobilnym podczas załączania silników,  zawieszaniem mikrokontrolera sterującego przekaźnikiem załączającym urządzenia zasilaneo z sieci 230V, niezbyt dokładnymi pomiarami z przetworników ADC itp.

Filtrowanie zakłóceń w obwodzie zasiania

Do obniżania napięcia zasilania układów elektronicznych z napięć rzędów 12...75 VDC stosuje się zazwyczaj stabilizatory liniowe lub przetwornice impulsowe nieizolowane i izolowane.

Najmniejszą efektywnością, a jednocześnie najgorszą odpornością na zakłocenia charakteryzują się stabilizatory liniowe. Najpopularniejszym tego typu elementem jest seria stabilizatorów LM178XX. Na Rys. 1 pokazano najprostrzy układ  zasilania  z wykorzystaniem stabilizatora 7805, dającego na wyjściu napięcie +5V. Najważniejszym elementem oprócz samego stabilizatora jest tu kondensator elelktrolityczny C3, bez którego zdażyć się może, że stabilizator nie będzie działał poprawnie. Pozostałe kondensatory także wpływają w dużej mierze na jakość napięcia na wyjściu.

 
Rys.1 Układ zasilania ze stabilizatorem liniowym typu 7805. 

Kolejny układ pokazany na Rys. 2 został wzbogacony o dwie diody oraz cewkę (dławik) o niewielkiej pojemności (10...47uH). Dioda D1 to zwykła dioda prostownicza, która zabezpiecza układ przed odwrotną polaryzacją. Ważną rolę odgrywa tutaj dioda D2 - tzw. dioda Schottky'ego. Pracuje podobnie jak dioda Zenera, przwodząc powyżej określonego napięcia ( w tym przypadku 36V), jednak jest znacznie szybsza (czasy działania w zakresie nanosekund). Dioda ta zabezpiecza stabilizator przed przepięciami pojawiającymi się na zasilaniu. Potrafi ona częściowo wyeliminować krótkie skoki napięcia o wartości powyżej 36V, które mogą przedostawać się na wyjście +5V stabilizatora i/lub spowodować jego uszkodzenie.

Schemat z Rys. 2 został wzbogacony także o dławik (L2), który wraz z kondensatorami C2 i C3 tworzy dodatkowy filtr, dodatkowo tłumiący wysokoczęstotliwościowe zakłócenia zasilania.

Rys.2 Układ zasilania ze stabilizatorem liniowym, zabezpieczeniem wejścia przed przepięciami i dodatkowym dławikiem filtrującym.

Lepiej, w porównaniu do stabilizatorów liniowych, z zakłóceniami zasilania radzą sobie przetwornice impulsowe, które z racji na charakter swojej pracy odcinają część zakłóceń. Na Rys. 3 pokazano przykładowy schemat stopnia zasilania układu elektronicznego, w którym występuje mikrokontroler zasilany napięciem +3,3V. Wykorzystano tutaj popularną przetwornicę LM2675-5V, dającą na wyjściu napięcie +5V. Przetwornica ta podaje napięcie na stabiliator liniowy o niskim spadku napięcia (tzw. LowDrop), który konwertuje napięcie z 5V na 3,3V do zasilania mikrokontrolera. Zapewnia to dobrze odfiltrowane i wygładzone napięcie zasilania +3,3V dla mikrokontrolera.

Oczywiście jeśli w układzie nie jest wymagane dodatkowe napięcie +3,3V lub +5V stabilizator nie jest konieczny. Dodanie stabilizatora gwarantuje jednak dodatkową filtrację napięcia, co ma szczególne znaczenie w przypadku zasilania z takiego źródła przetworników A/C o dużych rozdzielczościach pomiarowych. Stabilizator wygładza bowiem tętnienia spowodowane pracą przetwornicy impulsowej (szczególnie przetwornic pracujących w niskich częstotliwościach < 50Khz). 

 

Rys.3 Układ zasilania z przetwornicą impulsową oraz stabilizatorem liniowym. 

Najlepiej z eliminacją zakłóceń radzi sobie przetwornica izolowana DC/DC, która posiada całkowitą izolację galwaniczna napięcia wyjściowego w stosunku do wejściowego. Zapewnia to galwaniczne oddzielenie zasilanego układu elektronicznego od innych układów czy urządzeń zasilanych z tego samego źródła zasilania.

 Rys.4 Układ zasilania z przetwornicą izolowaną DC/DC.

Przetowrnice tego typu występują często w postaci pojedynczych elementów, co znacznie ułatwia projektowanie układu (Rys. 4). Dostępne na rynku przetwornice izolowane DC/DC spotykane są w różnych wariantach napięć wyjściowych oraz o różnych mocach, od pojedyńczych watów do setek wat. 

Rys.4 Przykłady kompaktowych przetwornic DC/DC.

Podsumowanie 

Oprócz odpowiednio zaprojektowanego stopnia zasilania równie ważne jest zasilanie poszczególnych elementów w projektowanym urządzeniu, szczególnie takie zagadnienia jak oddzielenie części cyfrowej od analogowej czy oddzielenie części wysokonapięciowej i wysokoprądowej od części sterującej/pomiarowej.  Wiąże się to nierozłącznie z poprawnie zaprojektowanym obwodem PCB. Aspekty te zostaną jednak omówione w kolejnych artykułach dotyczących projektowania układów elektronicznych pod kątem odporności na zakłócenia i emisyjności (EMI/EMC).