Impulzní zdroje a měniče I. - Přehled topologií impulzních zdrojů (s galvanickým oddělením)

    Zde popíšu 3 základní topologie spínaných zdrojů/měničů. Téměř každý zdroj nebo měnič, se kterým se setkáte ve spotřební elektronice, patří do jedné z těchto topologií. Budu popisovat hlavně výkonnou část zdrojů, řídící elektroniku jen principielně. Výhody impulzních zdrojů oproti klasickým jsou nesporné. Žádné těžké trafo, malé rozměry, níkzá cena, malé tepelné ztráty, velký rozsah vstupního napětí, možnost nastavení výstupního napětí bez velkého snížení účinnosti. Nevýhodou je rušení, kterého se však dá s použitím vhodných filtrů zbavit. Tranzistor v impulzním (=spínaném) zdroji neslouží jako spojitý regulátor, ale nachází se jen ve stavech sepnuto nebo rozepnuto. Regulace a stabilizace výstupního napětí impulzního zdroje probíhá regulací šířky pulzů (poměr času, kdy je spínač sepnut, a doby, kdy je rozepnut, tzv PWM). Tuto regulaci zajišťuje řídící obvod, který ovládá bázi nebo gejt výkonného spínače. Impulzní zdroj se velmi podobá měniči, protože hned za odrušovacím filtrem se síťové napětí usměrní a zdroj tedy vůbec nepracuje se síťovou frekvencí 50Hz. Filtrační kondenzátor (elektrolyt) musí mít dostatečnou kapacitu, aby udržel napětí i v době, kdy síť prochází nulou, na dostatečné hodnotě. Zjednodušeně řečeno, impulzní zdroj nejprve síťové napětí usměrní, pak ho změní opět na střídavé napětí, ale o mnohem vyšší frekvenci, to se potom transformuje impulzním trafem, a nakonec opět usměrní. Na usměrnění vysokofrekvenčního napětí je potřeba používat rychlé diody (s malou dobou reverzního zotavení). Vhledem k vysové frekvenci nemohou být tlumivky a trafa železné, ale jedině feritové nebo železoprachové. Kvůli snížení rozptylu trafa se většinou vine nejprve polovina závitů primáru, pak sekundár(y) a nakonec druhá polovina primáru. Pracovní frekvence zdrojů se většinou volí 20kHz nebo více, tedy nad hranicí slyšitelných kmitočtů, aby nebylo slyšet ze zdroje pískání. Zeleně jsou ve schématech označeny ochranné prvky. Pro pochopení principu činnosti si je můžete odmyslet, ale v praxi se bez nich neobejdete (došlo by ke zničení tranzistorů). Podrobnější informace o ochranně výkonných tranzistorů (nutnost!!!) najdete v tomto článku.

Poznámka: Ve schématech jsou znázorněny MOSFETy, ale návrhy lze aplikovat i na IGBT A bipolární NPN. Pouze u III. je nutno doplnit o antiparalelní diodu ty typy, které jí nemají zabudovanou.


    I. Blokující zdroj (jednočinný)
Tento jednoduchý typ impulzního zdroje používá trafo SE VZDUCHOVOU MEZEROU a jeden spínač (výkonný tranzistor). Trafo se zde chová spíše jako tlumivka s více vinutími. V jedné chvíli se spínač otevře a v trafu se hromadí energie, v druhé chvíli se spínač zavře, polarita napětí na vinutích se změní. Energie z jádra se přenáší do sekundárů, usměrňuje a putuje do zátěže. Trafo energii nepřenáší přímo, ale pumpuje. To je důvodem, proč se zdroj nehodí pro větší výkony - trafo by muselo být neúnosně velké (ale stále menší než železné trafo v klasickém zdroji).

    Výskyt:
Jednočinný blokující zdroj najdete téměř ve všem, co doma používáte, od nabíječek, adaptérů a holících strojků až po všechnu videotechniku (televizory CRT i LCD, videa, DVD, Satelity, DVB-T, ...), PC monitory, a zdroje pro notebook. Nejčastějším budícím integrovaným obvodem je UC3842, UC3843, UC3844, UC3845.
    Výhody:
Jedná se o nejjednodušší topologii. Není nutná velká výstupní tlumivka ani dvoujcestné usměrnění, žádná rekuperace, velký rozsah vstupního napětí (síťový zdroj pracuje bez přepínání při 100 - 240V~). Lze postavit i samokmitající verzi bez řídícího IO, jen s 1 nebo více pomocnými tranzistory. U verze do 10W může dokonce pracovat s jediným výkonným tranzistorem bez dalších aktivních součástek. Blokující zdroj může sloužit i jako regulovaný zdroj VN.
    Nevýhody:
Nehodí se pro větší výkony. Nad cca 100W ztrácí svoje výhody. Pro větší výkony potřebuje Velké feritové trafo (mnohem větší než propustný zdroj stejného výkonu) protože trafo zde slouží i jako zásobárna energie (trafo je zde vlastě tlumivka s více vinutími a nahrazuje transformátor + výstupní tlumivku). Tranzistor musí být dimenzován na 150 - 200% vstupního napětí (v praxi se sítí 230V~ je to 500 - 650V).
Blokující impulzní zdroj (jednočinný)
Blokující zdroj (jednočinný).



    II. Jednočinný propustný zdroj
Tento typ zdroje využívá trafo BEZ VZDUCHOVÉ MEZERY v propustné půlperiodě a díky tomu se hodí pro zdroje nad 100W. Blokující půlperioda je rekuperována (viz schéma, všimněte si smyslů vinutí označených tečkami). Protože trafo zde neslouží jako zásobárna energie, je NUTNÉ použít výstupní tlumivku. Horní dioda usměrňovače slouží k usměrnění propustné půlperiody, dolní dioda přebírá proud tlumivky když je na sekundáru záporné napětí (blokující půlperioda). Střída buzení musí být vždy menší než 50%.

    Výskyt:
Tento zdroj je nejméně rozšířen. Používá se v některých PC zdrojích, zvláště v miniaturních verzích a v značkových zdrojích (verze A,B,C). S verzí D (polořízený můstek nebo také propustný zdroj se dvěma spínači) se můžete setkat ve výkonnějších napájecích zdrojích a např. ve svářecích invertorech (s nepatrnou výstupní filtrační kapacitou). Budící IO bývá také UC3842...5.
    Výhody:
Velký výkon při menší složitosti než dvojčinný zdroj, jen jeden budící signál. Verze A,B,C bez plovoucího buzení. Verze D má výhodu v přímé rekuperaci bez pomocného vinutí či tlumivky, a dále také v tom, že na tranzistorech nikdy není vyšší napětí než je vstupní.
    Nevýhody:
U verzí A,B,C musí být tranzistor dimenzován na více než 200% vstupního napětí, v praxi se sítí 230V~ je to nejméně 800V. MOSFETy na tak velké napětí většinou mají jen malý proud nebo jsou drahé, IGBT nad 600V jsou pomalé. U verze D je zase nutné budit plovoucí gejt. Každý jednočinný propustný zdroj musí mít nějakou rekuperaci (občas se to obchází RCD článkem, kde se na odporu ztrácí dosti velký výkon). Špičkové napětí na sekundáru při propustné půlperiodě musí být mnohem vyšší než výstupní usměrněné napětí (alespoň 4x, protože je nutno počítat nejen se stabilizační rezervou, kvůli které se volí napětí alespoň 2x vyšší, ale také s omezením maximální délky propustného pulzu většinou do 50%). Z toho důvodu se příliš nehodí pro velká výstupní napětí.
Jednočinný propustný impulzní zdroj
Jednočinný propustný zdroj. A,B jsou klasické zapojení. C používá rekuperaci pomocí samostatné tlumivky. D je propustný zdroj se dvěma spínači.



    III. Dvojčinný zdroj (propustný)
Tento typ zdroje využívá trafo nejefektivněji - nejvyšší poměr výkon/rozměry trafa, a proto se hodí pro velké výkony. Trafo je bez mezery. Zdroj střídavě připojuje napětí k primáru v obou polaritách. Na sekundáru jsou též usměrněny obě půlperiody (dvoucestný usměrňovač). Regulace symetrická pulzně šířková - reguluje se současně šířka pulzů v obou polaritách. Po usměrnění se frekvence pulzů zdvojuje a tím umožňuje použití menší filtrační indukčnosti. Průběhy napětí v obvodu znázorňují grafy.

    Výskyt:
Tento zdroj je typický pro výkony od 100W až po nejvyšší výkony. Verze A (polomost) je typická pro zdroje z PC (AT, ATX). Verze B ("houpačka") je častá u zařízení s menším napájecím napětím (bateriové), např. měniče a UPS a jiná přenosná zařízení. Verze C (plný můstek) se používá pro velmi vysoké výkony. Nejčastější řídící IO bývá TL494 nebo ekvivalentní KA7500, někdy také SG3525.
    Výhody:
Nejvyšší výkony. Nejlepší využití trafa (nejlepší poměr výkon/rozměry). Tranzistory u verzí A a C nikdy nevidí vyšší napětí, než je vstupní. Díky dvěma střídavě spínajícím tranzistorům se frekvence za usměrňovačem zdvojuje a díky tomu staší menší tlumivka. Střída za usměrňovačem může být téměř 100% (50% každý tranzistor).
    Nevýhody:
U verzí A a C nutnost plovoucího buzení nebo budícího trafa. Složitý budící obvod a snímání proudu. Verze B potřebuje 2 primáry a nehodí se pro vyšší napětí, protože tranzistory jsou vystaveny 200% napájení. Všechny tranzistory (A,B i C) MUSÍ MÍT ANTIPARALELNÍ DIODY, protože kvůli indukční zátěži teče reverzní proud. Pokud tranzistor nemá zabudovanou diodu, je nutno doplnit externí (MOSFETy jí mají zabudovanou vždy, IGBT jen některé, NPN pouze vyjímečně).
Dvojčinný zdroj (propustný) - polomůstek, můstek
Dvojčinný zdroj: A-polomůstek, B-paralelní dvojčinný zdroj, C-můstek (plný můstek).






zpět na úvodní stránku