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 elektromagnetické rušení, které se však dá s použitím vhodných filtrů omezit.
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 času, kdy je rozepnut, tzv. PWM). Tuto regulaci
zajišťuje řídící obvod, který ovládá bázi nebo gejt výkonného spínače (tranzistoru). Impulzní
zdroj se velmi podobá DC/DC 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 ve spínané technice (nutnost!!!) najdete
v tomto článku.
Poznámka: Ve schématech jsou znázorněny MOSFETy, ale návrhy lze aplikovat i na IGBT a bipolární NPN tranzistory. Pouze
u dvojčinných zdrojů (III.) je nutno doplnit o antiparalelní diodu ty typy tranzistorů, které jí nemají zabudovanou.
I. Blokující zdroj
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 jednom kroku se spínací prvek (tranzitor) sepne, proud teče do primáru trafa a v jádře trafa se hromadí energie (v tuto chvíli je
dioda na sekundáru v závěrné polaritě a sekundárem neteče proud). Ve druhém kroku se
tranzitor rozepne, polarita napětí na vinutích se otočí. Energie z jádra trafa se přenáší do sekundáru, usměrňuje diodou a putuje do zátěže.
Trafo energii nepřenáší přímo, ale pumpuje. To je důvodem, proč se zdroj nehodí pro větší výkony - trafo
by muselo při vyšších výkonech být neúnosně velké (i když 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 napájecí zdroje pro notebooky či tiskárny. Nejčastějším řídícím 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 (zdroj pracuje bez přepínání při všech síťových napětích světa 100 - 240 V~).
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 vysokého napětí.
Nevýhody:
Nehodí se pro větší výkony. Nad cca 100 - 150 W ztrácí svoje výhody. Pro větší výkony potřebuje
velké feritové trafo (mnohem větší, než propustný či dvojčinný zdroj stejného výkonu), protože
trafo zde slouží i jako zásobárna energie (trafo je zde vlastě tlumivka s více vinutími a slouží zároveň jako
transformátor i jako výstupní tlumivka). Tranzistor musí být dimenzován na 150 - 200% vstupního napětí.
V praxi se sítí 230V~, která po usměrnění vytvoří napětí 325V=, musí být spínací tranzistor dimenzován cca na 500 - 650 V.
Blokující spínaný zdroj.
II. Propustný zdroj
Tento typ zdroje využívá trafo BEZ VZDUCHOVÉ MEZERY v propustné půlperiodě a díky tomu se hodí pro zdroje nad 100W.
Proud teče do primáru trafa přes sepnutý tranzistor a zároveň teče proud ze sekundáru na výstup.
Energie nahromaděná v jádru trafa během času, kdy je tranzistor sepnut, je zde narozdíl od blokujícího zdroje nevyužita.
Během času, kdy je tranzistor rozepnut, je enegie z jádra trafa rekuperována (vrací se do kondenzátoru na primární straně).
Protože trafo zde neslouží jako zásobárna energie, je NUTNÉ použít
výstupní tlumivku. Horní dioda usměrňovače slouží k usměrnění propustné půlperiody, dolní dioda
přebírá proud výstupní tlumivky, když je na sekundáru záporné napětí (tranzistor je rozepnut).
Střída spínání musí být vždy menší než 50%. Proto se často používají řídící obvody UC3844 či UC3845, které mají střídu vnitřně omezenou pod 50%.
Výskyt:
Tento zdroj je nejméně rozšířen. Používá se v některých PC zdrojích ATX, zvláště v miniaturních verzích a ve značkových zdrojích (verze A, B, C).
S verzí D (nazýván propustný zdroj se dvěma spínači, polořízený můstek či šikmý polomůstek) se můžete setkat ve výkonnějších napájecích zdrojích.
Najdeme ho i např. ve svářecích invertorech (zde pracuje s nepatrnou či žádnou výstupní filtrační kapacitou).
Verze A, B, C jsou vhodné pro výkony cca 100 - 500W. Verze D je vhodná pro výkony cca 400 - 3000W.
Výhody:
Velký výkon při menší složitosti než dvojčinný zdroj. Je potřeba jen jeden budící signál pro tranzistor(y) a
jednodušší řídící obvod, než má dvojčinný zdroj. Verze A, B, C bez plovoucího buzení tranzistoru.
Verze D má výhodu v přímé rekuperaci bez pomocného vinutí či pomocné tlumivky, a dále také v tom, že na tranzistorech
nikdy není vyšší napětí, než vstupní napětí.
Nevýhody:
U verzí A, B, C musí být tranzistor dimenzován na více než 200% vstupního napětí, v praxi se sítí 230V~ (325V= po usměrnění) je to nejméně 800V. MOSFETy
na tak velké napětí většinou mají jen malý povolený proud a velký odpor v sepnutém stavu, nebo jsou drahé, IGBT nad 600V jsou pomalé.
U verze D je nutné budit plovoucí gejt horního tranzistoru.
Propustný zdroj potřebuje 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 zdroj.
A,B jsou klasické zapojení. C používá rekuperaci pomocí samostatné tlumivky. D je
propustný zdroj se dvěma spínači.
III. Dvojčinný zdroj
Tento typ zdroje využívá trafo nejefektivněji - má nejvyšší poměr výkonu ku rozměrům trafa. Proto
se hodí pro velké výkony od 100W nahoru. Trafo má jádro bez vzduchové mezery.
Spínací tranzistory střídavě připojují vstupní napětí k primáru v obou polaritách.
Na sekundáru jsou též usměrněny obě půlperiody (dvoucestný usměrňovač).
Regulace je symetrická pulzně šířková - reguluje se současně šířka pulzů v obou polaritách.
Po usměrnění se frekvence pulzů zdvojuje a tím umožňuje použití menší filtrační indukčnosti a kapacity na výstupu.
Průběhy napětí v obvodu znázorňují grafy.
Výskyt:
Tento zdroj je typický pro výkony od 100W až po nejvyšší výkony. Verze A (polomůstek) je typická pro zdroje v 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 dvojčinných zdrojů 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 napětí. Díky dvěma střídavě spínajícím tranzistorům se frekvence
za usměrňovačem zdvojuje a díky tomu stačí menší tlumivka a kondenzátor na výstupu. Střída za usměrňovačem může být téměř 100% (50% každý tranzistor).
Verze B nevyžaduje plovoucí buzení tranzistorů.
Nevýhody:
U verzí A a C nutnost plovoucího buzení nebo budícího trafa. Složitý řídící obvod a snímání proudu.
Verze B potřebuje 2 primáry a nehodí se pro vyšší napětí, protože tranzistory jsou vystaveny
200% napájecího napětí. Všechny tranzistory (u verzí A, B i C) MUSÍ MÍT ANTIPARALELNÍ DIODY.
Pokud tranzistor nemá zabudovanou antiparalelní diodu, je nutno doplnit externí (MOSFETy jí mají zabudovanou vždy, IGBT jen některé,
bipolární NPN pouze výjimečně).
Verze A (polomůstek) vyžaduje umělý střed vstupního napětí, vytvořený kondenzátorem v sérii s primárem (nebo děličem se dvěma kondenzátory).
Dvojčinný zdroj: A-polomůstek, B-paralelní dvojčinný zdroj (houpačka), C-můstek (plný můstek).
zpět na úvodní stránku