Żarówka jako sztuczne obciążenie

W praktyce serwisowej elektronika, jednym z częściej naprawianych podzespołów jest zasilacz. Dobrze, jeśli da się on uruchamiać „solo”, to znaczy obciążony sztucznie, nie podzespołami, które zasila w sprawnym urządzeniu. To bezpieczniejsze, i dla samego zasilacza, a przede wszystkim dla urządzenia, gdy jakość zasilania nie jest jeszcze sprawdzona. Taką wygodę oferuje większość konfiguracji. Te, które nie pozwalają na zastosowanie idei obciążenia sztucznego, naprawia się najtrudniej, a to przede wszystkim rozwiązania master-slave. Jeśli nawet możemy zastosować obciążenie zastępcze, co wykorzystać, skoro zasilacz należy obciążyć mocą zbliżoną do znamionowej lub zapewnić nominalny zakres czerpanej z przetwornicy energii?

Pomysł wykorzystania żarówki jest „stary jak świat”, lecz czy zawsze jest to dobry pomysł? Jest przede wszystkim wygodny. Moc kilkudziesięciu watów nie jest problemem. Jeśli odpowiednio dobierzemy napięcie i moc, nie ma obawy o uszkodzenie elementu. Przede wszystkim zaś, żarówka jest elementem powszechnie dostępnym. Niebagatelna jest także wygoda, iż żarówka sama sygnalizuje intensywnością świecenia orientacyjną wartość napięcia do niej przyłożonego. Tyle wygód. A charakterystyka? Czy ta jest korzystna? A jeśli jest niekorzystna, to kiedy może być tolerowana, a kiedy nie?

Rzecz nie jest skomplikowana, a ważka. Bowiem jeśli nawet przesłanki teoretyczne sugerują, iż to złe obciążenie, i tak wygoda bierze górę, i po żarówkę sięgamy. Naprawiając telewizor CRT, żarówka 220V/60W jest elementem wyposażenia warsztatu nie mniej ważnym niż miernik, czy oscyloskop. Przy serwisie urządzeń 12-woltowych sięgamy po żarówkę samochodową. Naprawiając zasilacz jeszcze niższego napięcia, np. 5V, sięgamy po cenną żarówkę z antycznego już Wartburga, lub starego motocykla.

Charakterystyka sztucznego obciążenia

Rozważania na temat charakterystyki sztucznego obciążenia jakim jest żarówka, zacznijmy od charakterystyki pożądanej. Obciążenie rezystancyjne nie jest złe, a jeśli nieliniowość to taka, która zapewnia łagodny start. Niestety, żarówka wykazuje charakterystykę dokładnie przeciwną. W fazie startu wymusza udar prądowy, przeciwdziałający procedurze miękkiego startu wbudowanego zwykle w inteligencję sterownika przetwornicy.

Wiele zasilaczy radzi sobie z nieliniowością sztucznego obciążenia. Jednak te „inteligentne”, z „podciętą” charakterystyką ograniczenia prądowego (foldback), mają nieraz trudności. Jeśli zasilacz rozpozna przeciążenie już w fazie startu, charakterystyka foldback odgrywa rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego i układ nie wystartuje, mimo że znamionowe obciążenie nie przekracza mocy, jaką zasilacz musi umieć dostarczyć.

Na poparcie przedwcześnie wysuniętych wniosków, przyjrzyjmy się charakterystyce włókna żarówki. Trzeba jednak zdefiniować, o jaką charakterystykę nam chodzi, statyczną, dynamiczną, czy jeszcze inną? Włókno nie wykazuje składowej reaktancyjnej, ani indukcyjnej. A więc, czy to czysta rezystancja? Owszem, ale nieliniowa, zaś nieliniowość ta obarczona jest inercją. Włókno zimnej żarówki ma zdecydowanie inną oporność, od włókna rozgrzanego. Rozbieżności są niebagatelne.

W dalszej części artykułu zdjęto charakterystyki dwu najpopularniejszych żarówek stosowanych jako obciążenia sztuczne w praktyce serwisowej elektronika. Jednak, już prosty pomiar omomierzem ujawnia, iż stosunek rezystancji zimnego włókna do rezystancji statycznej tegoż włókna w warunkach nominalnego zasilania, sięga wartości jak: 1 do kilkunastu. To około 1:10 dla punktu pracy obniżonym napięciem zasilania, około 130V. Dla rezystancji dynamicznych stosunki te są jeszcze szersze.

Załóżmy, że obciążamy 100-watowy zasilacz o nominalnym napięciu 130V (typowy zasilacz odbiornika OTV-CRT) żarówką 60-watową. Żarówka taka czerpie 60W mocy dopiero wtedy, gdy przyłożymy do niej napięcie 220V (obojętnie czy stałe, czy AC, liczy się wartość RMS). Zwykły rezystor w warunkach połowy znamionowego napięcia zasilania, pobierze jedynie 1/4 mocy znamionowej.

Poruszamy się w okolicy 15-20W, co sugeruje, iż należałoby sięgnąć po żarówkę większej mocy. Faktycznie punkt pracy 130V/190mA (który wynika z charakterystyki pokazanej na rysunku 1) umiejscawia moc na poziomie 25W. Zasilacz 100-watowy, jest słabo obciążony. Jednak, jak sprawa wygląda w fazie startu?

Stwierdziliśmy, iż zimne włókno ma rezystancję niemal 10-krotnie mniejszą. Moc jest odwrotnie proporcjonalna do R_0BC. Ta „licha” żarówka, żąda na starcie mocy na poziomie 250W. Nic dziwnego, iż zasilacz może odmówić pracy z takim obciążeniem. A to oznacza, że jeśli nie wystartuje nam przetwornica obciążona sztucznie żarówką, niekoniecznie jest ona niesprawna. Zapewne, nie jeden serwisant został w ten sposób „wpuszczony w maliny”. Równocześnie, trzeba wziąć pod uwagę dynamikę obciążenia, i czas wolnego startu.

O jaką dynamikę chodzi? Przecież nie o dynamikę pętli sprzężenia zwrotnego, nie o „zera” i „bieguny”. Rezystancja włókna żarówki jest rzeczywista. Jest ona jednak funkcją temperatury. a ta z kolei jest funkcją napięcia. Jeśli napięcie ulega zmianie, trzeba wziąć pod uwagę „historię” w ramach stałej czasowej inercji cieplnej włókna. To ułamek lub około 1 sekundy. Wiemy, iż dla układów elektronicznych, to czas bardzo długi. Na szczęście, czasy wolnego startu zasilacza przetwornicy, są tego samego rzędu.

Jeśli zasilacz startuje wolno, a ograniczenie prądowe nie wykazuje charakteru foldback (z dodatnim sprzężeniem zwrotnym), żarówkę można stosować bezproblemowo. W fazie startu, do wyjścia pompowane są porcje energii o charakterze wzrostowym lub prąd wyznaczony poziomem ograniczenia prądowego. Pętla sprzężenia zwrotnego przejmie kontrolę nad pracą obwodu, gdy włókno zdąży się już nagrzać. W stanie statycznym, żarówka jest rezystorem o rezystancji wynikającej z jej punktu pracy.

Mówiąc zasilacz, mamy na myśli przetwornice. Ich analogowe odpowiedniki zostały skutecznie wyparte przez różne konfiguracje pięknie działających przetwornic. Ostały się jedynie w postaci stabilizatorów niewielkiej mocy, i to głównie LDO (Low Drop Out). Czy zachowanie się zasilacza obciążonego sztucznie żarówką, zależy od pracy liniowej lub impulsowej oraz od konfiguracji budowy przetwornicy? Generalnie nie. Zależy natomiast od dynamiki startu i charakteru ograniczenia prądowego. Pracę niemal wszystkich zasilaczy impulsowych (praktycznie wszystkich poza rezonansowymi, a te nie są do końca impulsowymi) można skwitować stwierdzeniem, iż pompują energię małymi porcjami.

Taka próbka energii jest zwykle bardzo mała i jedna nie odgrywa istotnej roli dla zmiany napięcia na elektrolicie wyjściowym. Próbkowanie odbywa się zaś bardzo często, co przesądza o szybkiej dynamice. Decyduje także o fakcie wymogu niewielkiego transformatora-indukcyjności oraz o tym, że dynamikę przetwornicy możemy analizować tak samo jak układu pracującego liniowo. Od konstrukcji zasilacza-przetwornicy zależą natomiast takie cechy, czy w fazie gromadzenia energii obwód wyjściowy jest odcięty, czy pompowanie energii do wyjścia nie wykazuje zasadniczo przerw, a jedynie fluktuacje wartości prądu. To jedna z istotnych różnic między najpopularniejszymi flybackami i konfiguracjami typu buck.

Cechy konstrukcji przetwornicy stwarzają jakże różne warunki pracy tak wydawałoby się trywialnych elementów jak kondensator wejściowy czy wyjściowy, czy tym bardziej nie odgrywa roli obciążenie wykazujące cechy nieliniowości? Okazuje się, że jednak nie. Dlatego też, nie będziemy rozpatrywali z osobna poszczególnych kategorii zasilaczy impulsowych. Możemy je wszystkie wrzucić do jednego worka, nawet razem, z ich liniowym protoplastom. Dla uzasadnienia tej tezy, na potrzeby bieżącego artykułu, zdjęto charakterystyki dwu żarówek. Tych, które najczęściej stosujemy w pracach serwisowych : 220V/60W i 12 V/21 W. Charakterystyki te pokazano na rysunku 1.

Widać, iż nieliniowość jest silna. To oznacza duży wpływ temperatury na rezystancję włókna. Pochodną charakterystyki prądowo-napięciowej jest rezystancja statyczna i dynamiczna w punkcie pracy. Wykreślono statyczną, dynamiczna wykazuje generalnie wartość większą i jest jeszcze bardziej stroma. Który parametr jest zatem istotny, skoro są one tak różne?

Żarówka jako obciążenie sztuczne wnosi jej rezystancję statyczną w chwilowym punkcie pracy. Jednak, jaką rezystancją obciążane są tętnienia napięcia wyjściowego: statyczną czy dynamiczną? Pytanie to pozostawimy otwarte, dla dociekliwego Czytelnika. Istotną rolę także odgrywa fakt, iż dynamika pracy impulsowej przetwornicy jest dużo szybsza od dynamiki pętli sprzężenia zwrotnego. Dynamika pętli feedbacku jest dużo szybsza od inercji cieplnych obciążenia sztucznego.

Inercje te są natomiast krótkie względem statycznego punktu pracy. Przy spełnieniu takich relacji, żarówka bardzo dobrze spisuje się jako obciążenie sztuczne. Relacje te bywają jednak zachwiane w fazie startu zasilacza. Dlatego też, jedne startują poprawnie, inne wchodzą w shutdown. Są też takie obwody, które startują, ale opornie. Zapewne niejeden serwisant doświadczył, że często pomaga chwilowe (na moment) odłączenie obciążenia i ponowne jego podpięcie do wyjścia uruchamianego lub testowanego zasilacza. Gdy układ już wystartuje, żarówka jest bardzo dobrym obciążeniem zastępczym.

Oczywiście, jej dobór musi być odpowiedni dla zakresu napięcia i prądu wyjściowego. Z tym na ogół problemów nie ma. Problemów nie ma, gdy zajmujemy się serwisem telewizorów CRT lub zasilaczy komputerowych. Naprawiając zasilacze innych typów, warto mieć całą gamę żarówek, o różnych napięciach i mocach znamionowych. W szczególności, dla naprawy zasilaczy odbiorników LCD, warto wyposażyć się w żarówki 24-woltowe.

Osobną klasą obwodów zasilania są przetwornice PFC. Te, jak wiadomo, mają dbać o parametry obciążenia, lecz nie „swojego”, nie parametry obciążenia wyjścia, lecz wejścia. Mają symulować obciążenie rezystancyjne dla sieci zasilającej. Ale wyjście, także podlega (choć kiepskiej) stabilizacji. Uruchamiając aktywny obwód PFC „solo”, także trzeba go czymś obciążyć. Znamionowa moc czerpana z przetwornicy PFC jest ta sama, co zasilacza z niej zasilanego. Niedogodnością jest konfiguracja pracy tego układu, to tradycyjnie boost. Konsekwencją jest wysokie napięcie wyjściowe (rzędu 400V). Sięgniemy prawdopodobnie po dwie żarówki o znamionowym napięciu 220V i połączymy je szeregowo (koniecznie dwie jednakowe).

Stwierdziliśmy wyżej, iż obciążenie sztuczne zasilacza żarówką, nie jest obciążeniem miękkim, wymusza wręcz udar prądowy. Czy takie obciążenie jest bezpieczne? Faktycznie, można by się spodziewać uszkodzeń sprawnego w gruncie rzeczy zasilacza. Takim przypadkom skutecznie zabezpieczają mechanizmy ochronne, wbudowane tradycyjnie już w sterownik każdego szanującego się zasilacza. A więc mechanizm ograniczenia prądowego i wolnego (miękkiego) startu. Jednak obwody PFC nie mają mechanizmów miękkiego startu. Wręcz przeciwnie, mechanizm szybkiego startu. Czy tu obciążenie „udarowe” jest bezpieczne? Na szczęście w tym zakresie nie ma obawy i to nie tylko dlatego, iż obwody PFC są z zasady wolne. Start przetwornicy PFC wygląda na ogół w ten sposób, iż już przed startem elektrolit wyjściowy zostaje naładowany do szczytowego napięcia sieci zasilającej. Przetwornica doładowuje go z 320 do 400V.

Wykorzystanie żarówek

Żarówki dobrze sprawdzają się podczas tradycyjnych napraw jakie dokonujemy w warsztatach serwisów urządzeń elektronicznych. Są na ogół bezpieczne, choć czasem wprowadzają serwisanta w błąd. Nie są jednak odpowiednie dla warunków laboratoryjnych. Tam, gdzie zasilacz się konstruuje i należy go solidnie przebadać, jego dynamikę, tętnienia, odpowiedź na skoki parametrów wejściowych i wyjściowych. W takich sytuacjach żarówek się nie stosuje. Należy zbudować solidne obciążenie sztuczne, rezystancyjne lub zbliżone do charakteru obciążenia w docelowym urządzeniu. W pierwszym przybliżeniu, powinno być nie tylko liniowe, ale pozbawione składowych indukcyjnych czy reaktancyjnych. A więc, nawet nie każdy rezystor będzie dobry. Wiadomo, jak obciążenie indukcyjne czy pojemnościowe wpływa na charakter całej pętli stabilizacji, ujemnego sprzężenia zwrotnego. Może zagrozić stabilności, a już na pewno wpłynie na dynamikę układu.

Żarówkę stosujemy w naszych serwisach nie tylko w charakterze obciążenia sztucznego.

Równie często posiłkujemy się nią w charakterze bezpiecznika. Żarówka włączona w miejsce bezpiecznika jest zabiegiem skutecznym, często ratującym cenne elementy uruchamianego obwodu. Tu, nieliniowość o charakterze źródła prądowego jest jak najbardziej pożądana. Dobrze dobrana żarówka w sprawnie pracującym obwodzie powinna się lekko żarzyć.

Zimne włókno żarówki stanowi niską rezystancję, a taki „bezpiecznik” nie spowoduje znacznego spadku napięcia. Start jest poprawny, a i warunki statyczne (z odpowiednio dobranym obciążeniem) zadowalające. Jeśli natomiast w naprawianym obwodzie występuje uszkodzenie skutkujące dużym poborem prądu z sieci zasilającej, warunki „dla” przepalenia bezpiecznika, żarówka też jest dobrym elementem „bezpiecznikowym”.

Jeśli byłby to rezystor o oporności zimnego włókna żarówki, kiepskim byłby bezpiecznikiem. W warunkach awaryjnych sam by się spalił z uwagi na duże U²/R, a równocześnie nie ograniczyłby do bezpiecznej wartości prądu czerpanego z sieci. Kiepski to bezpiecznik. Jeśli byłby to rezystor o oporności rozgrzanego włókna żarówki, byłby on złym substytutem bezpiecznika z uwagi na zbyt dużą rezystancję dla nominalnych warunków obciążenia. Nieliniowość jaką wnosi żarówka jest bardzo pożądana. Oczywiście, jej parametry też muszą być należycie dobrane, lecz nie są one bardzo krytyczne.

Stosowanie napięcia znamionowego 230V jest logiczne z uwagi na zasilanie naprawianego urządzenia z sieci energetycznej. Wymagana zwykle moc jest jednak stosunkowo duża. Żarówka 60W będzie odpowiednia dla mocy znamionowej zasilacza na poziomie pojedynczych watów. Dla mocy kilkudziesięciu watów, warto mieć żarówkę 150-watową i należy ją „szanować”, bo już się takiej nie kupi. Zaś żarówki „elektroniczne” (energooszczędne) zupełnie nie nadają się zarówno jako obciążenie sztuczne, jak i w charakterze bezpiecznika.

Opracowano na podstawie miesięcznika SE.

Porównywarka cen sprzętu RTV