Jak nastawić napięcie i prąd ograniczenia w zasilaczach laboratoryjnych

Klienci nabywający w sklepie JBW zasilacze laboratoryjne LongWei czasem zadają później pytanie jak 'w praktyce’ ustawić wielkość ograniczenia napięcia (CV) i ograniczenia prądowego (CC) (innymi słowy: jak to działa albo jak wprowadzić optymalnie te nastawy). Osoby które użytkują już podobne sprzęty od lat – wiedzą to doskonale. Ale rzeczywiście osoby które po raz pierwszy biorą zasilacz laboratoryjny 'do rąk’ mogą mieć pewne problemy. Główne pytanie jakie jest nam czasami zadawane brzmi: ’W zasilaczu jest tylko jeden wyświetlacz oznaczony 'V’, więc w którym momencie na tym pojedynczym wyświetlaczu widzimy nastawę ograniczenia napięcia – a kiedy wielkość napięcia wytwarzaną przez zasilacz’. I podobne pytanie dotyczące prądu: ’Jest jeden wyświetlacz oznaczony A, więc w którym momencie na tym pojedynczym wyświetlaczu widzimy nastawę ograniczenia prądu – a kiedy wartość chwilową prądu wytwarzaną przez zasilacz / pobieraną przez obciążenie podłączone do tego zasilacza’.

Odpowiedź na powyższe pytania nie jest skomplikowana. Należy rozróżnić kilka stanów pracy zasilacza:

1. Kiedy do zacisków wyjścia DC '+’ i ’-’ zasilacza nie mamy podłączonego żadnego obciążenia (odłączone są firmowe kabelki z tzw. 'krokodylkami’) – na wyświetlaczu oznaczonym 'V’ wyświetla się wartość ograniczenia napięcia w trybie CV (stałe napięcie / ang. 'constant voltage’). Czyli w tym stanie na wyświetlaczu ozn. 'V’ widzimy nastawę napięcia.
2. Kiedy zaciski wyjścia DC '+’ i ’-’ zasilacza są zwarte (lub podłączone jest obciążeniem o bardzo małej rezystancji) – na wyświetlaczu oznaczonym 'A’ wyświetla się wartość ograniczenia prądu w trybie CC (stały prąd / ang. 'constant current’). Czyli w tym stanie na wyświetlaczu ozn. 'A’ widzimy nastawę prądu. Prosimy o cierpliwe przeczytanie dalszej części artykułu ponieważ jest tam opisane że przed zwarciem zacisków zasilacza należy najpierw ustawić ograniczenie prądowe na minimum – jest to bardzo ważne żeby nie doprowadzić do powstania wyładowania łukowego DC przy zwieraniu kondensatorów filtra wyjściowego DC zasilacza (szczegóły w tekście poniżej)!
3. Po ustawieniu powyższych wartości granicznych (nastaw) – do zacisków wyjścia DC zasilacza można w końcu podłączyć nasze obciążenie – i wtedy na wyświetlaczu ozn. 'V’ odczytamy wartość chwilową napięcia na zaciskach wyjściowych zasilacza (jest to napięcie podawane jako napięcie zasilające DC do obciążenia) a na wyświetlaczu ozn. 'A’ odczytamy wartość chwilową prądu pobieraną przez obciążenie podłączone do zasilacza.

Zasilacz w sposób automatyczny przełącza się między wieloma trybami pracy, w szczególności między trybem wprowadzania nastaw i trybem pracy z obciążeniem – nic dziwnego – w końcu wewnątrz ma co najmniej dwa regulatory: ograniczenia napięcia i ograniczenia prądu. Teraz wystarczy zrozumieć w jakim trybie znajduje się aktualnie nasz zasilacz żeby zrozumieć co pokazują wyświetlacze. W zrozumieniu aktualnego stanu zasilacza pomagają nam dodatkowo dwie pomocnicze diody LED w kolorze zielonym i czerwonym oznaczone odpowiednio: 'CV’ oraz 'CC’ zlokalizowane na płycie czołowej zasilacza. Znaczenie tych skrótów podano w punkcie (1) i (2) artykułu powyżej. Świecąca światłem ciągłym zielonym dioda LED oznaczona 'CV’ (stałe napięcie / constant voltage) oznacza że zasilacz pracuje w trybie ograniczenia napięcia wyjściowego DC (jednocześnie w tym stanie będzie zgaszona czerwona dioda ozn. 'CC’). Świecąca światłem ciągłym czerwona dioda LED oznaczona 'CC’ (stały prąd / constant current) oznacza że zasilacz pracuje w trybie ograniczenia prądu wyjściowego DC (jednocześnie w tym stanie będzie zgaszona zielona dioda ozn. 'CV’). Więc albo działa jeden – albo drugi regulator.

Kolejnym zagadnieniem są możliwe zmiany obciążenia podłączonego do zasilacza. Wyobraźmy sobie na przykład: podłączony do zasilacza regulowanego DC akumulator 12V o pojemności 50Ah. W początkowej fazie ładowania akumulatora (stan głębokiego rozładowania akumulatora) z zasilacza ładującego DC prawdopodobnie pobierzemy prąd ustawionej przez nas wcześniej nastawy Imax dla trybu 'CC’ (przykładowo 5A czyli tzw. prąd Q10 – jest to standardowy wstępny długotrwały prąd ładowania akumulatora w pierwszej fazie ładowania). W tym stanie zasilacz będzie pracował w trybie 'CC’ (stały prąd) i będzie się na panelu czołowym zasilacza światłem ciągłym świeciła czerwona dioda LED ozn. 'CC’. W tym stanie (’CC’) – żeby możliwe było ograniczenie prądu ładowania do nastawy (np. 5A) – zasilacz musi wewnętrznym regulatorem ograniczyć napięcie wyjściowe – żeby w rezultacie pobierany przez akumulator prąd ładowania ograniczyć do wartości naszej nastawy (np. 5A). I to jest właśnie istota pracy w trybie ograniczenia prądu wyjściowego (tzw. tryb 'CC’) czyli wewnętrzny ogranicznik obniża napięcie aby prąd nie przekroczył wartości nastawionej. Z kolei w końcowej fazie ładowania akumulatora – kiedy prąd ładowania stopniowo się będzie zmniejszał – zasilacz 'płynnie’ przejdzie z trybu 'CC’ do trybu CV – czyli będziemy stopniowo obserwować zwiększanie się napięcia wyjściowego zasilacza (a tym samym napięcia na zaciskach ładowanego akumulatora) – ale do wartości nie większej niż nasza nastawa 'CV’ ustawiona w punkcie (1) opisu powyżej (na przykład 14,2V DC). W trybie 'CV’ napięcie osiąga wartość nastawy napięcia i nie przekroczy jej.

Kolejnym istotnym aspektem prawidłowego korzystania z zasilaczy prądu stałego jest zrozumienie, że zasilacz DC nie jest dynamicznym generatorem przebiegów impulsowych. Przykładowo nie należy traktować zasilacza jako idealnego źródła prądowego czy napięciowego w stanach nieustalonych / przejściowych! Przykładowo 'zwarcie’ zacisków wyjściowych zasilacza 'na krótko’ spowoduje przeskok iskry (tym większy im większe jest napięcie wyjściowe nastawione w zasilaczu). Jest to tzw. stan nieustalony wynikający z niekontrolowanego rozładowywania się dużej pojemności kondensatorów elektrolitycznych filtra wyjściowego DC zasilacza. Zawsze kiedy zewrzemy końcówki naładowanego kondensatora musimy się liczyć z przeskokiem iskry (łukiem wyładowania DC). Tak samo jest w przypadku zasilaczy regulowanych prądu stałego DC. Każdy rodzaj zasilacza (niezależnie od jego konstrukcji) posiada filtr wyjściowy z kondensatorami o dużej pojemności na wyjściu (tzw. filtr prostownika za przetwornicą). Zwarcie tego kondensatora spowoduje 'zaiskrzenie’ na stykach łączonych elementów przewodzących. O ile moment zwarcia styków powoduje niekontrolowany przepływ dużych prądów (oraz 'iskrzenie’) – później w ułamku sekundy zaczyna działać wewnętrzny regulator ograniczający prąd wyjściowy do wartości nastawy prądu 'CC’. Jednak pierwszy moment to przepływ niekontrolowany bardzo dużego prądu. Dlatego ważne jest aby pamiętać, że zasilacz DC nie jest idealnym źródłem prądowym.

Mamy nadzieję że opisany powyżej efekt jest oczywisty dla każdego elektronika bądź elektryka który miał w rękach naładowany kondensator o dużej pojemności. Wynika on wprost z praw fizyki. Z powodów opisanych powyżej – przy regulacji nastawy prądu w trybie ograniczenia 'CC’ konieczne jest zawsze ustawienie potencjometru nastawy prądu (zgrubnej nastawy i dokładnej nastawy) na zero – co w efekcie spowoduje spadek napięcia wyjściowego zasilacza do 0,00V i dopiero w tym stanie jest możliwe 'zwarcie na krótko’ zacisków DC zasilacza. Następnie dopiero ustawiamy zgrubnie i dokładnie wartość ograniczenia prądowego potencjometrami (odczytujemy wartość nastawy z wyświetlacza LED na zasilaczu), po czym zaciski wyjściowe możemy spokojnie już 'rozewrzeć’ pozostawiając nastawy CV i CC ustawione wg punktów (1) i (2) niniejszego artykułu.

Najważniejsze podczas eksploatacji zasilaczy DC jest aby pamiętać, że optymalny efekt uzyskać możemy tylko i wyłącznie poprzez dobranie odpowiedniej (optymalnej) metody pomiarowej. Dla przykładu przyjmijmy obciążenie nieliniowe w postaci diody LED. Jeśli chcemy zasilić diodę LED o napięciu przewodzenia około 2V prądem 20mA (dane z przykładowej ch-ki prądowo-napięciowej diody LED jakiegoś konkretnego typu i producenta) – nie podłączajmy jej bezpośrednio do zacisków zasilacza z nastawami np. 10V i 0,02A bo w pierwszym momencie nastąpi rozładowania niekontrolowane kondensatorów filtra wyjściowego zasilacza naładowanych do napięcia 10VDC (będzie to rozładowanie niekontrolowane – bez ograniczenia prądu) – a dopiero po czasie około 0,2…0,3s po rozładowaniu się kondensatorów do okolic 2V zacznie działać regulator 'CC’ zasilacza DC i prąd wyjściowy ustabilizuje się blisko nastawy 'CC’ t.j. 0,02A. Jednak w tym krótkim czasie np. 0,2 … 0,3s (czas niekontrolowanego rozładowania kondensatorów filtra wyjściowego DC zasilacza naładowanych wstępnie do 10V DC) możemy skutecznie uszkodzić diodę LED (niekontrolowanym impulsem prądowym)! Należy mieć 'wyczucie’ (wynik doświadczenia, wiedzy oraz stosowania tzw. dobrych praktyk) że jest to nieprawidłowy układ pomiarowy! Dużo bezpieczniej jest zastosować dla opisanego powyżej przykładu tzw. inna metodę pomiarową. Przykładowo zasilacz możemy ustawić na 22V DC a do zacisków wyjściowych dołączyć układ z rezystorem szeregowym R (o rezystancji 1 kOhm) ograniczającym prąd. Wtedy już w momencie włączenia obwodu przez układ szeregowy (rezystor R i dioda LED) nie przepłynie więcej niż 22mA (a docelowo w stanie ustalonym około 20mA)! Więc proszę o tym pamiętać, że zasilacze nie są idealnym źródłami napięciowymi i prądowymi i zawsze stosujmy bezpieczną metodę ograniczenia napięcia i prądu maksymalnego w obwodzie.

Mamy nadzieję, że powyższe uwagi pomogą w optymalnym i bezpiecznym korzystaniu z urządzeń oferowanych przez sklep JBW pod marką LongWei.