Ke konverzi vstupního napětí na hodnotu potřebnou pro vnitřní komponenty se používají spínané napájecí zdroje. Dalším běžným názvem pro spínané napájecí zdroje jsou měniče.
Obsah
Co je to spínaný zdroj napájení?
Střídač je sekundární napájecí zdroj, který využívá dvojí konverzi vstupního střídavého napětí. Výstupní hodnoty se upravují změnou trvání (šířky) pulzů a v některých případech i jejich frekvence. Tento typ modulace se nazývá pulzně šířková modulace.
Princip spínaného zdroje napájení
Střídač pracuje tak, že usměrní primární napětí a následně jej převede na soustavu vysokofrekvenčních pulzů. To je rozdíl od běžného transformátoru. Výstupní napětí se používá k vytvoření záporné zpětné vazby, která umožňuje nastavit parametry pulzu. Řízením šířky impulsu lze snadno zajistit stabilizaci a regulaci výstupních parametrů, napětí nebo proudu. To znamená, že může být regulátorem napětí i proudu.
Počet a polarita výstupních hodnot se může velmi lišit v závislosti na způsobu fungování spínaného zdroje.
Rozmanitost napájecích zdrojů
Používá se několik typů měničů, které se liší svým zapojením:
- bez transformátoru;
- transformátor.
První z nich se vyznačují tím, že sekvence impulsů jde přímo do výstupního usměrňovače a vyhlazovacího filtru zařízení. Takový obvod má minimum součástek. Jednoduchý měnič obsahuje specializovaný integrovaný obvod - pulzně-šířkový oscilátor.
Hlavní nevýhodou beztransformátorových zařízení je, že nemají galvanické oddělení od elektrické sítě a mohou představovat nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Obvykle mají také nízký výkon a dodávají pouze 1 hodnotu výstupního napětí.
Běžnější jsou transformátorová zařízení, u nichž se na primární vinutí transformátoru aplikuje sekvence vysokofrekvenčních impulsů. Sekundárních vinutí může být libovolný počet, což umožňuje vytvoření několika výstupních napětí. Každé sekundární vinutí je zatíženo vlastním usměrňovačem a vyhlazovacím filtrem.
Výkonná spínaná napájecí jednotka jakéhokoli počítače je postavena podle takového obvodu, který má vysokou spolehlivost a bezpečnost. Pro zpětnovazební signál se zde používá napětí 5 nebo 12 V, protože tyto hodnoty vyžadují co nejjemnější stabilizaci.
Použití transformátorů pro vysokofrekvenční přeměnu napětí (desítky kilohertzů místo 50 Hz) umožnilo mnohonásobně zmenšit jejich rozměry a hmotnost a jako materiál jádra (magnetický vodič) použít feromagnetické materiály s vysokou koercitivní silou místo elektrického železa.
Měniče DC-DC jsou rovněž založeny na pulzně-šířkové modulaci. Bez použití měničových obvodů byla konverze velmi obtížná.
Obvod stejnosměrného napájení
Schéma zapojení nejběžnější konfigurace pulzního měniče obsahuje:
- Liniový filtr pro potlačení rušení;
- usměrňovač;
- Vyhlazovací filtr;
- pulzně-šířkový měnič;
- klíčové tranzistory;
- výstupní vysokofrekvenční transformátor;
- výstupní usměrňovače;
- výstupní individuální a skupinové filtry.
Účelem odrušovacího filtru je zachytit rušení z provozu jednotky do elektrické sítě. Spínání výkonných polovodičových prvků může být doprovázeno generováním krátkodobých pulzů v širokém frekvenčním spektru. Proto je nutné použít speciálně navržené prvky jako průchozí kondenzátory pro filtrační články.
Usměrňovač slouží k převodu vstupního střídavého napětí na stejnosměrné a následný vyhlazovací filtr eliminuje zvlnění usměrněného napětí.
Při použití stejnosměrného měniče nejsou usměrňovač a filtr nutné a vstupní signál se po průchodu obvodem šumového filtru přivádí přímo do pulzně-šířkového měniče (modulátoru), zkráceně PWM.
PWM je nejsložitější částí spínaného napájecího obvodu. Jejím úkolem je:
- Generování vysokofrekvenčních pulzů;
- sledování výstupních parametrů jednotky a korekce průběhu pulzů podle zpětnovazebního signálu;
- Monitorování a ochrana proti přetížení.
Signál PWM je přiváděn na řídicí vývody výkonných můstkových nebo polomůstkových tranzistorů. Napájecí vodiče jsou připojeny k primárnímu vinutí vysokofrekvenčního výstupního transformátoru. Tradiční bipolární tranzistory jsou nahrazeny tranzistory IGBT nebo MOSFET, které mají velmi nízký úbytek napětí na spoji a vysokou rychlost. Lepší výkon tranzistorů umožňuje snížit ztrátový výkon při stejných rozměrech a technickém provedení.
Výstupní pulzní transformátor využívá stejný princip převodu jako klasický transformátor. Výjimkou je operace s nadměrnou frekvencí. V důsledku toho mají vysokofrekvenční transformátory při stejném přenášeném výkonu menší rozměry.
Napětí ze sekundárního vinutí výkonového transformátoru (může jich být několik) se přivádí do výstupních usměrňovačů. Na rozdíl od vstupního usměrňovače musí mít usměrňovací diody sekundárního obvodu vyšší pracovní frekvenci. V této části obvodu se nejlépe osvědčují Schottkyho diody. Jejich výhody oproti běžným diodám jsou:
- vysoká provozní frekvence;
- nižší kapacita p-n přechodu;
- nízký pokles napětí.
Účelem výstupního filtru ve spínaném zdroji je snížit zvlnění usměrněného výstupního napětí na nezbytné minimum. Vzhledem k tomu, že frekvence zvlnění je mnohem vyšší než frekvence síťového napětí, není potřeba vysoká kapacita a indukčnost v cívkách.
Oblast použití spínaného zdroje napájení
Místo tradičních transformátorových měničů s polovodičovými stabilizátory se ve většině případů používají pulzní měniče napětí. Při stejném výkonu jsou měniče menší a lehčí, spolehlivější a hlavně účinnější a mohou pracovat v širokém rozsahu vstupních napětí. A při srovnatelné velikosti je maximální výkon měniče několikanásobně vyšší.
V takové oblasti, jako je konverze stejnosměrného napětí, nemají pulzní zdroje téměř žádnou alternativu a jsou schopny pracovat nejen snížením napětí, ale také generováním vyššího napětí a uspořádáním přepólování. Vysoká frekvence převodu výrazně usnadňuje filtraci a stabilizaci výstupních parametrů.
Malé měniče založené na specializovaných integrovaných obvodech se používají jako nabíječky pro nejrůznější přístroje a jejich spolehlivost je taková, že životnost nabíjecí jednotky může několikanásobně překročit životnost mobilního zařízení.
12voltové napájecí ovladače pro zapínání světelných zdrojů LED jsou rovněž založeny na spínacím obvodu.
Jak vyrobit spínaný zdroj vlastníma rukama
Měniče, zejména výkonné, mají složité obvody a jsou přístupné pouze zkušeným radioamatérům. Pro vlastní montáž síťových zdrojů lze doporučit jednoduché obvody s nízkou spotřebou energie s použitím specializovaných PWM regulátorů. Tyto integrované obvody mají nízké nároky na zapojení a osvědčenou konstrukci obvodu, která prakticky nevyžaduje žádné nastavování a ladění.
Při práci na domácích konstrukcích nebo opravách průmyslových zařízení nezapomeňte, že část obvodu bude vždy pod napětím, proto je třeba dodržovat bezpečnostní opatření.
Související články:
