Spínané napájacie zdroje sa používajú na premenu vstupného napätia na hodnotu potrebnú pre vnútorné komponenty. Ďalším bežným názvom pre spínané zdroje napájania sú meniče.
Obsah
Čo je to spínaný napájací zdroj?
Menič je sekundárny zdroj napájania, ktorý využíva dvojitú konverziu vstupného striedavého napätia. Výstupné hodnoty sa upravujú zmenou trvania (šírky) impulzov a v niektorých prípadoch aj ich frekvencie. Tento typ modulácie sa nazýva pulzno-šírková modulácia.
Princíp spínaného zdroja napájania
Menič pracuje tak, že usmerňuje primárne napätie a potom ho premieňa na sústavu vysokofrekvenčných impulzov. To je rozdiel od bežného transformátora. Výstupné napätie sa používa na generovanie záporného spätnoväzbového signálu, ktorý umožňuje nastavenie parametrov impulzov. Ovládaním šírky impulzu možno ľahko zabezpečiť stabilizáciu a reguláciu výstupných parametrov, napätia alebo prúdu. To znamená, že môže byť regulátorom napätia aj prúdu.
Počet a polarita výstupných hodnôt sa môže veľmi líšiť v závislosti od spôsobu fungovania spínaného zdroja.
Rozmanitosť napájacích zdrojov
Používa sa niekoľko typov meničov, ktoré sa líšia svojou konštrukciou obvodov:
- bez transformátora;
- transformátor.
Prvé sa vyznačujú tým, že postupnosť impulzov ide priamo do výstupného usmerňovača a vyhladzovacieho filtra zariadenia. Takýto obvod má minimum komponentov. Jednoduchý menič obsahuje špecializovaný integrovaný obvod - pulzno-šírkový oscilátor.
Hlavnou nevýhodou beztransformátorových zariadení je, že nemajú galvanické oddelenie od elektrickej siete a môžu predstavovať nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom. Zvyčajne majú aj nízky výkon a dodávajú len 1 hodnotu výstupného napätia.
Bežnejšie sú transformátorové zariadenia, v ktorých sa na primárne vinutie transformátora aplikuje vysokofrekvenčná sekvencia impulzov. Sekundárnych vinutí môže byť toľko, koľko je potrebné, čo umožňuje vytvoriť niekoľko výstupných napätí. Každé sekundárne vinutie je zaťažené vlastným usmerňovačom a vyhladzovacím filtrom.
Výkonná spínaná napájacia jednotka akéhokoľvek počítača je zostavená podľa takéhoto obvodu, ktorý má vysokú spoľahlivosť a bezpečnosť. Pre spätnoväzbový signál sa tu používa napätie 5 alebo 12 voltov, pretože tieto hodnoty vyžadujú čo najjemnejšiu stabilizáciu.
Použitie transformátorov na vysokofrekvenčnú konverziu napätia (desiatky kilohertzov namiesto 50 Hz) umožnilo mnohonásobne zmenšiť ich rozmery a hmotnosť a namiesto elektrického železa použiť ako materiál jadra (magnetický drôt) feromagnetické materiály s vysokou koercitívnou silou.
DC-DC meniče sú tiež založené na pulzno-šírkovej modulácii. Bez použitia meničových obvodov bola konverzia veľmi náročná.
Obvod napájania jednosmerným prúdom
Schéma zapojenia najbežnejšej konfigurácie impulzného meniča obsahuje:
- Linkový filter na potlačenie rušenia;
- usmerňovač;
- Vyhladzovací filter;
- širokopásmový menič impulzov;
- kľúčové tranzistory;
- výstupný vysokofrekvenčný transformátor;
- výstupné usmerňovače;
- výstupné individuálne a skupinové filtre.
Účelom filtra na potlačenie rušenia je zachytenie rušenia z prevádzky jednotky do elektrickej siete. Spínanie výkonných polovodičových prvkov môže byť sprevádzané generovaním krátkodobých impulzov v širokom frekvenčnom spektre. Preto je potrebné použiť špeciálne navrhnuté prvky ako priepustné kondenzátory pre filtračné spoje.
Usmerňovač slúži na konverziu vstupného striedavého napätia na jednosmerné napätie a následný vyhladzovací filter eliminuje zvlnenie usmerneného napätia.
Ak sa používa jednosmerný menič, usmerňovač a filter nie sú potrebné a vstupný signál sa po prechode cez obvod šumového filtra privádza priamo do pulzno-šírkového meniča (modulátora), skrátene PWM.
PWM je najzložitejšia časť spínaného napájacieho obvodu. Jeho úlohou je:
- Generovanie vysokofrekvenčných impulzov;
- sledovanie výstupných parametrov jednotky a korekcia priebehu impulzov v súlade so spätnoväzbovým signálom;
- Monitorovanie a ochrana proti preťaženiu.
Signál PWM sa privádza na riadiace vývody výkonných mostíkových alebo polomostíkových tranzistorov. Napájacie vodiče sú pripojené k primárnemu vinutiu vysokofrekvenčného výstupného transformátora. Tradičné bipolárne tranzistory sú nahradené tranzistormi IGBT alebo MOSFET, ktoré majú veľmi nízky úbytok napätia na spoji a vysokú rýchlosť. Lepší výkon tranzistorov umožňuje znížiť stratu energie pri rovnakých rozmeroch a technickom vyhotovení.
Výstupný impulzný transformátor využíva rovnaký princíp premeny ako klasický transformátor. Výnimkou je prevádzka s nadmernou frekvenciou. V dôsledku toho majú vysokofrekvenčné transformátory menšie rozmery pri rovnakom prenášanom výkone.
Napätie zo sekundárneho vinutia výkonového transformátora (môže ich byť niekoľko) sa privádza do výstupných usmerňovačov. Na rozdiel od vstupného usmerňovača musia mať usmerňovacie diódy sekundárneho obvodu vyššiu pracovnú frekvenciu. V tejto časti obvodu najlepšie fungujú Schottkyho diódy. Ich výhody oproti bežným diódam sú:
- vysoká pracovná frekvencia;
- nižšia kapacita p-n prechodu;
- nízky pokles napätia.
Účelom výstupného filtra v spínanom zdroji je znížiť zvlnenie usmerneného výstupného napätia na potrebné minimum. Keďže frekvencia zvlnenia je oveľa vyššia ako frekvencia sieťového napätia, nie je potrebná vysoká kapacita a indukčnosť v cievkach.
Rozsah použitia spínaného napájacieho zdroja
Namiesto tradičných transformátorových meničov s polovodičovými stabilizátormi sa vo väčšine prípadov používajú impulzné meniče napätia. Pri rovnakom výkone sú meniče menšie a ľahšie, vysoko spoľahlivé a hlavne účinnejšie a môžu pracovať v širokom rozsahu vstupných napätí. A pri porovnateľnej veľkosti je maximálny výkon meniča niekoľkonásobne vyšší.
V takej oblasti, ako je konverzia jednosmerného napätia, nemajú impulzné zdroje takmer žiadnu alternatívu a dokážu pracovať nielen znižovaním napätia, ale aj generovaním vyššieho napätia a usporiadaním zmeny polarity. Vysoká frekvencia konverzie výrazne uľahčuje filtrovanie a stabilizáciu výstupných parametrov.
Malé meniče založené na špecializovaných integrovaných obvodoch sa používajú ako nabíjačky pre najrôznejšie pomôcky a ich spoľahlivosť je taká, že životnosť nabíjacej jednotky môže niekoľkonásobne prekročiť životnosť mobilného zariadenia.
12-voltové napájacie ovládače na zapínanie svetelných zdrojov LED sú tiež založené na spínacom obvode.
Ako si vlastnými rukami vyrobiť spínaný napájací zdroj
Meniče, najmä výkonné, majú zložité obvody a sú prístupné len skúseným rádioamatérskym pracovníkom. Na vlastnú montáž sieťových napájacích zdrojov možno odporučiť jednoduché nízkopríkonové obvody s použitím špecializovaných regulátorov PWM. Tieto integrované obvody majú nízku spotrebu elektrickej energie a osvedčenú konštrukciu obvodu, ktorá prakticky nevyžaduje žiadne nastavovanie a ladenie.
Pri práci na domácich konštrukciách alebo opravách priemyselných zariadení nezabudnite, že časť obvodu bude vždy pod potenciálom elektrickej siete, preto je potrebné dodržiavať bezpečnostné opatrenia.
Súvisiace články:
