Jste zde

Spínané zdroje

Popis návrhu lineárních zdrojů již na tomto serveru je. Mnohem častěji se ale dnes používají převážně zdroje spínané. Bližšímu seznámení s tímto zařízením je věnován tento článek. Jsou zde uvedeny základní typy těchto zdrojů a příklady zapojení.

Druhy spínaných zdrojů:

  • s kmitočtem sítě
    • bez transformátoru
    • s transformátorem
      • pulsní regulace v primární části
      • pulsní regulace v sekundární části
  • s kmitočtem vyšším než síťovým
    • jednočinný blokující měnič
      • měnič s jedním spínačem
      • měnič se dvěma spínači
    • jednočinný propustný měnič
      • měnič s jedním spínačem
      • měnič se dvěma spínači
    • dvoučinné měniče
      • protitaktní
      • dvojčinný se čtyřmi spínači
      • dvojčinný s kapacitními děliči
    • dvojitý propustný měnič

Rozdíly (spínané x lineární zdroje):

Rozdíl mezi spínaným a lineárním zdrojem (se spojitou regulací) je hlavně ve způsobu používání výkonového regulačního členu. Ve spínaných zdrojích je výkonový člen zatěžován impulsně. Je střídavě spínán a rozpínán. Využívají se výhody impulsního režimu daného prvku. V impulsním režimu může být odebíraný impulsní výkon podstatně větší, než jaký je možné odebírat v lineárním režimu s použitím stejného výkonového prvku.

Výhody a nevýhody (spínané x lineární zdroje):

Výhody:

  • mají vyšší účinnost
  • jsou výhodnější tam, kde je velký rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím
  • malé rozměry
  • i přes větší obvodovou složitost jsou ekonomicky výhodnější

Nevýhody:

  • pomalejší reakce výstupního napětí na rychlé změny zatěžovacího proudu
  • při požadavku malého zvlnění se musí uvažovat vliv impulsního charakteru zdroje
  • jsou zdrojem rušivých signálů, které generují spínací prvky

Stručný popis:

Stabilizátory s pracovním kmitočtem sítě jsou starší. Jejich konstrukci umožnily tyristory a triaky. S těmito zdroji nelze dosáhnout velké přesnosti stabilizace. Jsou těžší a objemnější, ale podstatně levnější. Jejich použití není omezeno přenášeným výkonem. Vyhovují pro méně náročné aplikace, kde nepotřebujeme extrémní stabilitu, přesnost a kde nejsou kladeny požadavky na zvlnění výstupního napětí.

Konstrukci stabilizátorů s vyšším pracovním kmitočtem umožnila výroba rychlých, polovodičových, výkonových, spínacích součástek, feritových jader a malých kondenzátorů s velkou kapacitou. Tyto zdroje jsou menší, mají podstatně lepší a přesnější regulaci výstupního napětí. Jsou ale dražší. Mají podstatně složitější obvodové řešení a součástky, které jsou pro tuto konstrukci přímo navržené. Výrobci dodávají velmi často řídící obvody v integrované verzi, což podstatně usnadňuje návrh zdroje. Také dodávají kompletní impulsní zdroje jako jediný integrovaný obvod. K takovéto součástce se připojí minimum externích součástek. Zpravidla stačí připojit cívku a kondenzátor a impulsní zdroj je hotov. Dodávají se na různá napětí a výstupní proudy.

Spínané zdroje bez transformátoru s pracovním kmitočtem sítě:

Tyto zdroje se dají ještě rozdělit podle druhu usměrňovače na jednočinné a dvojčinné. Jednočinné stabilizátory pracují do kondenzátorového filtru a jsou vhodné pro zdroje s vyšším výstupním napětím a malých výstupních proudů. Dvojčinné stabilizátory pracují do filtru začínajícího cívkou a jsou vhodné pro zdroje nižších výstupních napětí a velkých proudů.

Princip stabilizátoru:

Jako usměrňovač síťového napětí se používá tyristor. Ten je za normálních podmínek nevodivý v obou směrech. Do propustného stavu se uvede řídícím napětím, které přivedeme na řídící elektrodu. Toto napětí musí mít polaritu takovou, aby bylo kladné vzhledem ke katodě tyristoru.

Obvod je uspořádán tak, že tyristor propouští pouze část kladných půlvln usměrněného napětí. Tím lze řídit velikost výstupního napětí. Velikost usměrněného napětí lze řídit okamžikem otevření tyristoru kladným impulsem v intervalu připadajícím sestupné části sinusového průběhu, jak je naznačeno na obrázku.

K otevření tyristoru stačí krátký impuls. Tyristor se uzavře, když se anodový proud sníží pod velikost přídržného proudu. To bude v době, kdy napětí na anodě se zmenší pod úroveň usměrněného napětí na katodě. Spouštět tyristor se musí až za vrcholem sinusovky. Jinak by regulace neměla smysl. Pokud by jsme spínaly před vrcholem, tak by se vždy dosáhlo maximálního usměrněného napětí jaké je na vstupu.

Pokud požadujeme větší výstupní proud (cca nad 1,5A) je potřeba použít zapojení stabilizátoru který bude pracovat do filtru, který začíná tlumivkou.

Schéma zapojení:

Z důvodu vyšších proudů je vhodné použít také vstupní odrušovací filtr. Dále do zapojení přibyla dioda D1, která funguje jako demagnetizační pro cívku v době, kdy je tyristor vypnutý.

Pokud je tyristor sepnutý, tak prochází proud přes tyristor, tlumivku a nabíjí výstupní kondenzátor. Při vypnutí tyristoru je dále proud do zátěže dodáván filtrem. Otevře se dioda D1 a propojí tlumivku na výstup zdroje. Ta tím dodá nahromaděnou energii do zátěže a zároveň se demagnetizuje.

Pro větší proudy můžeme spojit dva jednočinné stabilizátory a dostaneme tím dvojčinný stabilizátor napětí.

Spínané zdroje s transformátorem s pracovním kmitočtem sítě:

Regulace v primárním obvodu transformátoru:

S tímto regulátorem zlepšíme využití transformátoru. Ovlivníme tím jeho rozměry, hmotnost a také zlepšíme účinnost oproti klasickému zdroji.

Blokové schéma:

Jako spínač je zde použit triak, který je fázově řízený. Spotřebič je transformátor, který má na sekundární straně usměrňovač pracující do filtru LC. Výstupní napětí je přes dělič přivedeno na diodu optočlenu, která ovládá fototranzistor. Ten ovládá vstup obvodu pro fázové řízení triaku.

Pokud je výstupní napětí menší než požadované, prochází diodou menší proud a fototranzistor se přivře. Na vstupu obvodu pro řízení je nižší napětí. To má za následek, že spouštěcí impulsy pro triak se přenesou do oblasti vyšší střední hodnoty napětí přiváděného do transformátoru a napětí na výstupním filtračním kondenzátoru se zvýší. Pokud je výstupní napětí vyšší, děj je opačný.

Regulace v sekundárním obvodu transformátoru:

Často se nepožadují velké regulační schopnosti. Při regulaci výstupního napětí na sekundární straně transformátoru se používá stejné zapojení jako v případě bez transformátoru. Transformátor je použit hlavně pro galvanické oddělení od sítě a případnou úpravu vstupního napětí – snížení, zvýšení.

Ochrany:

Stabilizované zdroje mají velmi malý vnitřní odpor. Při zkratu by mohlo dojít k poškození některých součástek ve zdroji. Proto jsou zdroje většinou vybaveny proudovou ochranou. Nejjednodušší je při zkratu odpojit usměrňovač, pokud tuto funkci plní tyristor a po odstranění zkratu opět začít pracovat normálně.

Způsobů jak ochrany řešit je mnoho. V nejjednodušším případě se mezi tyristor a zátěž zapojí malý rezistor. Pokud na něm vznikne určitý úbytek napětí tak sepne tranzistor, který propojí řídící elektrodu na katodu tyristoru, čímž ho rozpojí. Po nějaké době tranzistor rozepne a tyristor opět začne spínat. Pokud zkrat trvá, tak se celý děj opakuje. Zapojení je podobné jako u lineárních zdrojů.

Spínané zdroje s vyšším pracovním kmitočtem:

Tyto zdroje se označují také jako impulsní. Využívají impulsní regulaci. Výstupní napětí Us je stabilizováno zásahy regulačního členu pouze v určitých, časově omezených intervalech Ta. Impulsní regulace umožňuje výrazně redukovat výkonovou ztrátu na regulačním členu. Regulační prvek, což je v tomto případě tranzistor, pracuje jako řízený spínač. Proud jím prochází pouze po určitý interval pracovního cyklu. Jelikož se tranzistor vždy maximálně otevře a pak úplně zavře, tak je výkonová ztráta podstatně menší, než u lineárního regulátoru.

Základní schéma impulsního regulátoru

Možnost použít spínací regulační člen při stabilizaci stejnosměrného napětí je podmíněna jeho vzájemnou součinností s filtračním členem.

spořádání filtru je podle typu měniče v regulátoru. Filtr je pro větší výstupní výkon vždy LC. Princip činnosti spočívá v tom, že veškerá energie, odebraná měničem v aktivním intervalu pracovního cyklu je akumulována. V pasivním intervalu, kdy je tranzistor rozpojen, je zátěž napájena energií, která je akumulována filtrem.

Pracovní cyklus regulátoru:

Podstata regulace spočívá v řízení vzájemných časových relací aktivního Ta a pasivního Tb intervalu pracovního cyklu. Celý pracovní cyklus se pak označuje jako Tc.

Pracovní cyklus Tc může být ovládán těmito způsoby:

  • konstantní interval Ta a proměnná perioda Tc
  • konstantní interval Tb a proměnná perioda Tc
  • proměnný poměr intervalů Ta/Tb, konstantní Tc (PWM modulace)

Pokud chceme kvalitnější zdroj – větší výkon, proud, menší rozměry a hmotnost, je vhodné použít následující koncepci spínaného zdroje.

 Stabilizátor s regulací na primární straně impulsního transformátoru:

V zapojení je odstraněn transformátor v klasické formě. Sníží se tím požadavky na mezní kolektorový proud spínacího tranzistoru, zmenší se rozměry a hmotnost. Pracuje se impulsně s vysokým kmitočtem spínání tranzistoru.

V síťovém přívodu je zařazen širokopásmový odrušovací filtr. Síťové napětí se usměrňuje a vyhlazuje kondenzátorovým filtrem. Vyhlazené napětí se vede dále na regulační výkonový spínací tranzistor. Zátěží tranzistoru je primární vinutí transformátoru napěťového měniče. Pracuje se v ultrazvukové oblasti. Impulsní proud procházející primárním vinutím transformátoru měniče indukuje v jeho sekundárním vinutí napětí, usměrňované diodovým usměrňovačem a vyhlazované v obvodu výstupního filtru. Vyhlazené výstupní napětí Us se porovnává s referenčním napětím Uref. Jejich odchylka vhodným způsobem ovládá poměr intervalů Ta/Tb pracovní periody Tc.

Některé možné koncepce napěťových měničů v impulsních regulátorech:

Místo spínače S se zapojuje do obvodu tranzistor. Jedná se pouze o idealizovaná schémata pro pochopení funkce.

Blokující měnič s impulsním transformátorem:

V intervalu Ta teče proud pouze primárním vinutím. V intervalu Tb teče sekundárním vinutím. Blokující měniče jsou relativně jednoduché. Dobrých výsledků dosahují při regulaci větších výstupních napětí a malých výstupních proudů.

Propustný měnič s impulsním transformátorem:

K přenosu energie ze vstupního do výstupního obvodu se užívá aktivního intervalu Ta. Aby se nepřesycovalo jádro impulsního transformátoru, které v intervalu Ta akumuluje energii, která v intervalu Tb není výstupním obvodem měniče odebírána, užívá se pomocného demagnetizačního vinutí Ld se shodným počtem závitů, ale opačným smyslem vinutí vůči primáru. Propustný měnič je vhodný pro vyšší výstupní proudy.

Buck regulátor (step-down, snižující)

Ne vždy je nutné měnič galvanicky oddělovat od vstupního napětí. Při bateriovým napájení je to dokonce i nevyhovující. Proto jsou i zdroje bez vstupního transformátoru.

Boost regulátor (step-up, zvyšující)

V tomto případě se jedná o zapojení, kde na výstupním obvodu dostáváme napětí vyšší, než je vstupní napětí. V době sepnutí tranzistoru Ta se akumuluje energie v indukčnosti a proud zátěže je dodáván z kondenzátoru ve výstupním filtru. V okamžiku vypnutí tranzistoru Tb se napětí na cívce otočí a přičte se k napájecímu napětí. O toto napětí pak bude napětí na výstupu vyšší.

Buck-Boost regulátor (invertující měnič):

Otáčí polaritu vstupního napětí

Existují ještě další možnosti zapojení měničů. Například protitaktní nebo s více spínači. Ty už uvádět nebudu. Tento článek je jen pro jednoduché seznámení s těmito zdroji. Pokud by někdo měl zájem o podrobnější seznámení, tak tomuto problému je věnováno mnoho literatury.

Příklady praktické realizace impulsních stabilizátorů:

Obvod LM2595-xx

Jedná se 1A step-down měnič pracující se spínací frekvencí 150kHz. Místo xx v označení se uvádí požadované výstupní napětí. Jsou možnosti: 3,3V, 5V a 12V. Pokud je v označení ADJ tak se jedná o nastavitelný zdroj. K tomuto obvodu stačí připojit minimum součástek.

Obvod LM2676-xx

Tento obvod je podobný předchozímu. Výstupní proud je ale až 3A.

Obvod LM2577-xx

Toto je měnič step-up. Například při vstupním napětí 5V je na výstupu 12V. Obvod pracuje na frekvenci 52kHz.

Stavba z běžných součástek:

Pokud nechceme používat hotový měnič, můžeme si postavit vlastní. Jednoduchý měnič lze postavit z běžných součástek. Zde je uveden příklad step-up měniče, který ze vstupního napětí 2V udělá na výstupu 5V. Tento zdroj je popsán v odkazu uvedeným níže.

Babčaník Jan
Babcanik@ seznam.cz

Použitá literatura a odkazy:

Hodnocení článku: 

Komentáře

"Jako usměrňovač síťového napětí se používá tyristor."
Nechce se mi věřit, že mohl pan inženýr zapomenout, při popisu spínaných zdrojů, na Graetzův můstek, na vstupu.

Nechce se mi věřit, že ten kdo upozorňuje na lajdáctví je sám lajdák. Proč tolik čárek???
Vaše rádoby česká věta by totiž měla vypadat asi takto:

Nechce se mi věřit, že pan inženýr mohl při popisu spínaných zdrojů zapomenout na Graetzův můstek na vstupu.

Dokonce ani já (16 let) nemusím být inženýr, abych věděl jaké jsou zásady a na jakém principu pracuje tyristor. Možná by bylo lepší se předtím, než někam budete psát, že to tak nemůže být a navíc to projevovat nevhodným způsobem, se ujistit o oprávněnosti takového tvrzení.

Nic si z toho nedelejte. Ceske webky jsou plne omylu a prekopirovanych veci. Reknu to zcela jinak Cesky: jsou plne ceskych sracek. Dnes kazdy blb pise naucne clanky.

Málem bych zapoměl - v tom zapojení graetz skutečně nemůže být - při stejnosměrném napájení by se tyristor jen sepnul a pak by se už nevypnul ;-). Ale to víme jen my, inženýři :))

Ale neříkejte? Opravdu tam před tyristorem nemůže být Graetzuv můstek? No to jsou věci.

Dovolím si citovat z popisu:

Obvod je uspořádán tak, že tyristor propouští pouze část kladných půlvln usměrněného napětí.

Záporné půlvlny na vstupu být mohou, ale nic se během nich neděje. Podstatné je, že napětí na vstupu musí vždy na konci půlvlny klesnout tak, aby tyristor vypnul.

A ted ten nešťastný Graetz:
pokud předřadíme můstkový usměrňovač (tedy Graetz), pochopitelně BEZ filtračního kondenzátoru (!!!!!), na vstup příjdou obě půlvlny jako kladné a tyristor bude možné spínat dvakrát častěji (při 50Hz 100 x za s).

ty holmsi proč tolik zbytečných vykřičníků  (všim sis že sem nenapsal ani jednu čárku :-)

Pan inženýr nezapomněl, pan inženýr tomu rozumí. Přečti si popis, troubo.

Doporučuji všem co si neumí představit zdroj s tyristorem bez vstupního Graetzu, ať si najdou něco kolem zdrojů IPSALO. Uměli to už soudruzi z NDR daleko před tím, než půlka zdejších kvaziinženýrů tahal ještě kačera za sebou :-)