Zasilacz transformatorowy 12V 20A do KF: projektowanie i alternatywy

Pytanie

zasilacz transformatorowy do kf 12v 20a

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najpewniejszym rozwiązaniem dla radiostacji KF (krótkofalarskiej) jest liniowy zasilacz transformatorowy o napięciu 13,8 V DC (nominalne „12 V”) i wydajności ≥ 20 A.
• Rdzeń projektu: transformator toroidalny 18 V AC / 28 A (≈ 500 VA) → prostownik Graetza 35–50 A → filtr 40–60 mF → stabilizator z LM/UA 723 + 3-4 tranzystory mocy (np. MJ15024) równolegle, z układem crowbar i zabezpieczeniem nadprądowym.
• Alternatywa kupna: sprawdzone gotowe zasilacze liniowe (Microset PT-120A, Diamond GSV-3000) lub impulsowe klasy radiowej (Alinco DM-330) z filtrami RFI.

Kluczowe punkty
• Napięcie wyjściowe: 13,8 V ± 0,2 V • Prąd ciągły: ≥ 20 A • Tętnienia < 10 mV RMS • Zabezpieczenia: OVP + OCP + OTP • Chłodzenie aktywne ~200 W strat.

Szczegółowa analiza problemu

1. Wymagania urządzeń KF

1. Standard zasilania w sprzęcie radiowym to 13,8 V DC (wartość „samochodowa”).
2. Prąd szczytowy 20 A występuje tylko w trakcie nadawania; w odbiorze transceiver pobiera 1–2 A.
3. Wrażliwość na zakłócenia wymusza niskoszumową, liniową topologię lub impulsowy SMPS z rozbudowanymi filtrami.

2. Bloki funkcjonalne zasilacza liniowego 13,8 V/20 A

1. Transformator toroidalny
   • Moc obliczeniowa \(P_{out}=13,8 V \times 20 A = 276 W\).
   • Sprawność liniowa ≈ 55 %, więc \(P_{trafo} \approx 500 VA\).
   • Uzwojenie wtórne 18 V AC (RMS) przy 28 A, co po prostowaniu i spadkach daje 24 V bez obciążenia.
2. Prostownik
   • Mostek KBPC3510/KBP5010 (35–50 A, 100 V).
   • Straty: \(V_f \approx 1,8 V\) → ~36 W przy 20 A; wymagany radiator R\(_{\theta}\)<2 K/W.
3. Filtr pojemnościowy
   • Minimalna pojemność: \(2 000 \mu\text{F}/A\) → 40 000 µF; w praktyce 47–60 mF/35–50 V.
   • Kondensatory low-ESR + ceramiczne 100 nF do filtracji HF.
4. Stabilizator napięcia
   • UA/LM 723 jako kontroler: ref. 7,15 V, wzm. błędu, ograniczenie prądowe 0,65 V.
   • Driver BJT (BD244/ TIP147) + 3–4 tranzystory np. MJ15024 lub 2N3772; rezystory emiterowe 0,1 Ω / 5 W dla wyrównania prądów.
   • Drop-out ok. 3 V → wymagane min. 16,8 V na wejściu pod obciążeniem; zapewnia transformator 18 V AC.
   • Straty cieplne: \(P=(24 V-13,8 V)\times 20 A ≈ 204 W\); radiator R\(_{\theta}\)<0,6 K/W + wymuszony przepływ powietrza.
5. Zabezpieczenia
   • OCP: Rsense 0,033 Ω/20 W + pętla 723.
   • OVP (crowbar): tyrystor 25–40 A wyzwalany przy 15 V, bezpiecznik topikowy 30 A.
   • OTP: termistor lub LM35 na radiatorze, odcięcie przy 80 °C.
6. Chłodzenie
   • Radiator 0,25 m² powierzchni + dwa wentylatory 120 mm/24 V sterowane PWM.
   • Odseparowany przepływ powietrza dla mostka i tranzystorów.

3. Obliczenie tętnień

Tętnienie kondensatora bez LC:
\[
\Delta V \approx \frac{I}{f \cdot C} = \frac{20 A}{100 \text{Hz}\cdot 47 000 µF} \approx 4,3 V{pp} \approx 1,5 V{RMS}
\]
Z LC 10 mH + 20 mF spadnie < 20 mV\(_{RMS}\).

4. PCB i okablowanie

• Ścieżki miedzi 105 µm, szer. 8–10 mm lub podwójne; wyprowadzenia do gniazd M8.
• Przewody od transformatora: min. 6 mm²; wyjściowe: 4 mm².
• Warstwa masy gwiaździstej, uziemienie obudowy wg PN-EN 60950/62368.

Aktualne informacje i trendy

• Na rynku pojawiły się impulsowe zasilacze dedykowane KF (Alinco DM-330FX, SEC-1235G2) z tłumieniem RFI < 50 dB dzięki filtracji i modulacji częstotliwości (“noise-offset”).
• Coraz popularniejsze są modułowe SMPS DIN (Delta Lyte II 12 V/20 A), ale wymagają dodatkowych filtrów LC 1–5 µH/10 mF przy wejściu transceivera.
• Trend eko-energetyczny: sprawność > 90 % i tryb czuwania < 1 W (norma EU CoC Tier 2).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego 13,8 V? Przy pracy z akumulatora samochodowego alternator utrzymuje 13,8–14,4 V; producenci radiotelefonów kalibrują stopnie PA do tej wartości.
• Toroid kontra EI: toroid 3–5 dB mniej pola rozproszonego, co zmniejsza przydźwięk w przedwzmacniaczach antenowych.
• Crowbar: tyrystor + bezpiecznik działa szybciej (< 10 µs) niż większość PA i chroni końcowy tranzystor MOSFET radiostacji wartej kilka tysięcy zł.

Aspekty etyczne i prawne

• Zgodność z Dyrektywą EMC 2014/30/UE: emisja przewodzona < 0,15 µV w paśmie 0,15–30 MHz.
• Dyrektywa LVD 2014/35/UE i norma PN-EN 62368-1 wymuszają podwójną izolację transformatora i przerwy izolacyjne 8 mm.
• Bezpieczeństwo użytkownika: obowiązek uziemienia chassis, stosowanie bezpieczników zwłocznych po stronie AC i szybkich po stronie DC.

Praktyczne wskazówki

1. Przed pierwszym uruchomieniem obciąż zasilacz sztuczną rezystancją 10 Ω/300 W i sprawdź temperatury.
2. Montuj tranzystory na pojedynczym, masywnym radiatorze aby uniknąć nierównomiernego grzania.
3. Zastosuj pętlę kontroli wentylatora (PWM z NTC) – cichy w odbiorze, pełne chłodzenie w nadawaniu.
4. Utrzymuj gwiazdowe prowadzenie mas: kondensator filtrujący → stabilizator → punkt wspólny wyjścia.
5. Jeśli wybierasz SMPS, dołóż filtr PI: 2×4,7 mH + 10 mF do chassis, oraz ferryt na przewodzie antenowym.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Masa i gabaryty: transformator 500 VA waży ~6 kg; cały zasilacz > 10 kg.
• Sprawność liniowa 50–60 % – przy długich nadawaniach koszty energii i ciepło są znaczące.
• Tranzystory 2N3055 z wtórnego rynku mają często zaniżone parametry – preferuj MJ15024 od ON-Semi lub Vishay.
• Budowa DIY wymaga pracy z napięciem sieci 230 V – ryzyko porażenia.

Sugestie dalszych badań

• Test praktyczny: pomiar IMD transceivera z zasilaczem liniowym vs. impulsowym z dodatkowymi filtrami.
• Analiza zdolności tłumienia udarów – transceivery z PA MOSFET (np. Yaesu FT-991A) są wrażliwe na 100 µs drop-outs.
• Implementacja cyfrowego sterownika (STM32) dla monitoringu napięcia, prądu, temperatury i logowania zdarzeń.
• Porównanie materiałów rdzeni (ferryt vs. proszkowe FeSi) na dławiki wyjściowe do SMPS-ów KF.

Krótkie podsumowanie

Liniowy zasilacz transformatorowy 13,8 V / 20 A pozostaje złotym standardem dla radiostacji KF dzięki zerowym zakłóceniom i prostej, niezawodnej konstrukcji. Kluczem jest odpowiednio przewymiarowany transformator (≈ 500 VA), mocny mostek prostowniczy, duża filtracja i solidny stabilizator z tranzystorami mocy oraz pełnym zestawem zabezpieczeń (crowbar, OCP, OTP). Wymaga to jednak znacznej masy, kosztu i wydajnego chłodzenia (~200 W strat). Nowoczesne SMPS-y o niskim RFI są coraz lepszą alternatywą, ale w krytycznych aplikacjach audio/RF wciąż ustępują liniowym konstrukcjom. Wybór zależy więc od priorytetu: absolutna czystość pasma i prostota serwisu vs. waga, sprawność i koszt.