38 - Spínané napájecí zdroje

U mnoha výrobních spotřební, výpočetní a průmyslové elektrotechniky se setkáváme s různými spínanými zdroji. Tento typ zdrojů přináší celou řadu výhod (mají však i své nevýhody). Prvořadým kladem jsou rozměry, váha a energetická účinnost. Energetická účinnost běžně dosahují více než 80% oproti lineárním zdrojům.

Dělíme

  1. s pracovním kmitočtem f = 50Hz

  2. bez indukčnosti

  3. s indukčnostmi – pracovní kmitočet f > 20kHz)

  1. užívá se ve starších přístrojích, spínací prvky v řízeném usměrňovači se realizovaly pomocí tyristorů v řídících obvodech se užívá diak a triak. Zapojení je jednoduché, obtížná je filtrace zvlnění na výstupu a stabilizace.

  2. Bez indukčnosti (nábojové pumpy). Princip vychází z elektronického spínání kondenzátorů, což umožňuje násobení vstupního napětí, případně jeho inverzi. Výhodou je , že se zde neobjevují špičková indukovaná napětí. Zdroj má malé ztráty.)

  3. Zdroje pracují s impulzní regulací, stabilizátor převádí nestabilizované vstupní napětí na stabilizované výstupní napětí. Pracovní kmitočet impulsní regulace je nad akustickým pásmem (vyšší než 20kHz) dnes se používá až 1MHz.

Výhoda – vysoká účinnost regulace, použití nízkonapěťových spínačů, rušivá napětí nepronikají přes síťový transformátor do sítě.

Nevýhoda – velký objem a hmotnost. Vyšší zvlnění.

Pracovní režimy spínaných stabilizátorů

  1. PFM: Ta= konst, Tc ≠ konst, Tb = g(Iz) fc=g(Iz)

  2. PFM: Tb=konst, Tc ≠ konst, Tc=g(Ie)fc=g(Iz)

  3. PWM: Tc=konst, Ta/Tb ≠ konst, Ta/Tb = g(Iz) fc=konst.

Pracovní cyklus

Tc=Ta + Tb doba cyklu = doba sepnutí + doba rozepnutí


Pro řízení pracovního cyklu Tc a intervalů Ta, Tb se používá impulzně šířková modulace (IŠM = PWM) Tc= konstantě; Nebo PFM (pulsně frekvenční modulace), pracuje s Tc různé od konstanty. Základním nedostatkem impulsní modulace je skutečnost, že výstupní filtr má setrvační charakter, což způsobí zpoždění a odchylku ΔU2 při skokové změně napájecího napětí a proudu zátěže.

Základní nedostatek impulsové regulace, výstupní filtr má setrvační charakter. Vzniká zpoždění výstupního napětí a proudu zátěže.

Všechna zapojení používají pro funkci spínaného stabilizátoru spínač, akumulátor indukčnost a rekuperační diodu. Akumulační indukčnost bývá někdy nahrazena impulsovým transformátorem.

Spínací zdroje s pracovním kmitočtem nad 20kHz se dělí na základní typy:

  1. jednočinný blokující měnič (flyback converter) – nejjednodušší typ zdroje, velmi často používán pro malé výkony (100 – 150W) např. notebooky, TV, nabíječky atd.

  2. jednočinný propustný měnič (forward converter) používá se v oblasti středních výkonů

  3. dvoucestný propustný měnič

  4. dvojčinný měnič (push-pull connverter) použití pro nejvyšší výkony (svářečky apod.), ale také jako zdroj takřka v každém PC!.

Tyto základní typy lze měnit podle počtu aktivních součástek.

Obecné blokové schéma je na obrázku – principiální zapojení jednočinného měniče. Síťové napětí se po průchodu vf odrušovacím filtrem F1 usměrňuje primárním usměrňovačem U1, vyhlazuje filtračním kondenzátorem a přivádí na vstup měniče, který obsahuje spínací prvek (realizovaný bipolárním FET tranzisotrem). Napětí přerušované spínačem S se přivádí na primární vinutí transformátoru TR, který zajišťuje potřebný napěťový převod a galvanické oddělení sekundární části od sítě. Napětí na sekundáru se usměrňuje v sekundárním usměrňovači U2 a filtruje výstupním filtrem F2. Výstupní stejnosměrné napětí je snímáno na odporovém děliči R1/R2 přivedeno do řídícího bloku.

Nejdůležitější částí je měnič, jehož uspořádání určuje systém celého zdroje. Jsou na něj kladeny vysoké požadavky. Volba typu měniče souvisí hlavně s hodnotami požadovaného výstupního výkonu – viz. předchozí dělení.


Řídící obvod

Podstatou řízení nespojité regulační smyčky je takové přizpůsobení na činitele plnění (duty cykle, střídu) pracovního cyklu regulátoru, které při změně vnějších podmínek (kolísání sítového napětí, změny zátěže) udržuje výstupní napětí Mě na konstantní úrovni. Pro provedení PUM vyjdeme z nejběžnějších regulátorů s konstantním kmitočtem a proměnnou střídou signálu. Základem je porovnávání chybového napětí úměrného napětí Mě s napětím interního oscilátoru Uosc – pilovitého průběhu. Z napájecího napětí je odvozeno referenční napětí Uref a je přiváděno na neinvertující vstup zesilovače odchylky. Na neinvertující vstup je přivedeno chybové napětí vytvořené odporovým děličem z výstupního napětí U2. Nelze použít plného napětí, neboť platí Uref<U2. OZ zesiluje odchylku chybového napětí od referenčního napětí Uref a tak získáváme analogový spojitý signál Uerr. Tento signál je pak porovnán v komparátoru s pilovitým průběhem z oscilátoru Uosc. Výsledkem je šířkově modulovaný signál Upwm. Šířka budících impulsů je úměrná velikosti odchylce. Budícími impulsy je pak ovládán spínač S.

Principiální popis funkce blokujícího měniče (flyback converter)

Podstatná část jednočinného blokovacího měniče je zobrazena na obrázku. Kondenzátor C1 je filtrační nabíjený dvoucestně. Protože pracovní kmitočet měniče je mnohem větší než síťě, představuje C1 většinu času zdroj napětí pro měnič. Jeden pracovní cyklus měniče lze rozdělit do dvou částí Ta, a Tb. V první době Ta je sepnut tranzistor T a tím připojuje primární vinutí trafa ke kondenzátoru C1. Proud prim. vinutí se postupně zvětšuje a zároveň se zvětšuje i magnetické pole. Po uplynutí doby Ta se tranzistor rozepne. Transformátor vybudí na L2 napětí opačné polarity ve snaze zachovat proud. Vznikající napětí se na primární straně sčítá s U1 a výsledným napětím je namáhán tranzistor (musí být dimenzován). Vinutí L1 neprochází proud, přetransformátovává se energie do L2, kde se indukuje napětí U2. Přes diodu D a zátěž Rz pak prochází proud is. Tento proud prochází po celou dobu Tb, ovšem není-li jeho velikost menší než povolená minimální proudová zátěž.


dlabos.wz.cz