Elektronika

Maturitní otázky

PULZNÍ ZDROJE, ROZDĚLENÍ A JEJICH PRINCIP

33.Pulzní zdroje, rozdělení a jejich princip

SPÍNANÉ ZDROJE

Úvod do problematiky spínaných zdrojů

Popularita spínaných zdrojů v poslední době velmi roste a stávají se převažující skupinou zdrojů na trhu. Umožňují vytvářet kompaktní přístroje s malou hmotností a objemem a s velkou účinností. Praktický návrh spínaných zdrojů je však mnohem komplikovanější, než u zdrojů lineárních a náročnost na výběr součástek jejich návrh dále komplikuje.

Porovnání s lineárními regulátory.

Nejvyšší výhodou spínaných zdrojů je jejich vysoká účinnost a to zejména v případech omezeného výkonu, dodávaného z baterií, dále jejich váha a rozměry. Přes komplikace návrhu procento spínaných zdrojů stále roste a dnes se dá odhadnout, že jejich nasazení je zajímavé u všech zdrojů již okolo výkonu 20 [W]. Výhodou spínaných zdrojů, vyplývající z vysokého pracovního kmitočtu je snadná filtrovatelnost zbytků střídavé složky. Tato vlastnost se však uplatní až při podstatně vyšších kmitočtech, než je kmitočet sítě a proto spínané zdroje s tyristory, pracující právě na kmitočtech 50 [Hz], či o něco málo vyšších jsou dnes nepoužitelným anachronismem.

Nicméně nevýhodou spínaných zdrojů právě z hlediska jejich vysoké pracovní frekvence je vyšší cena jednotlivých součástek, které musí na takto vysokých kmitočtech spolehlivě pracovat (mezní kmitočty tranzistorů a diod, rozptylové kapacity transformátorů a stejnosměrné odpory elektrolytických kondenzátorů). Právě s postupně klesající cenou těchto součástek klesá i výkonová hranice efektivního využití spínaných zdrojů.

Srovnání spínaných stabilizátorů s lineárními je přehledně uvedeno v tabulce 1. Účinnost spínaných zdrojů se běžně pohybuje v rozmezí od 70 [%] do 80 [%] a to i v případě velmi špatných spínaných zdrojů od 60 [%] do 65 [%]. Obdobné lineární stabilizátory podobných parametrů by stěží mohly dosáhnout účinnosti lepší než 50 [%], obvykle se jejich účinnost pohybuje okolo 30 [%].

Podstatné zlepšení účinnosti se dosahuje v okolí pracovních kmitočtů 20 [kHz], avšak dnešní součástky umožňují i konstrukci spínaných zdrojů, které pracují na kmitočtech 100 [kHz] až 1 [MHz] s účinností až 8x lepší, než jejich obdobná lineární zapojení s podobnými vlastnostmi. Další parametry mohou být přinejmenším porovnatelné.

Tabulka 7.1 Porovnání lineárních a spínaných zdrojů

S rostoucím kmitočtem ( a tedy rostoucí kvalitou ) součástek se dále poměr parametrů mění ve prospěch spínaných zdrojů.

Základní zapojení

Spínaný zdroj se skládá z několika základních částí, znázorněných na obr.7.l. Ne vždy obsahuje všechny (výstupní filtr) a často obsahuje i některé navíc (vstupní usměrňovač). Podmínkou činnosti spínaného zdroje je stejnosměrné vstupní napětí, pokud možno co nejvíce zbavené střídavé složky, která vzhledem ke svému nízkému kmitočtu (50 [Hz]) snadno prochází celým filtrem až na jeho výstup.

Jsou tedy dvě základní možnosti, buď je vstupní napětí stejnosměrné a s obvykle velmi malým vnitřním odporem a pak náročnost na vstupní filtr není vysoká, nebo v druhém případě je vstupní napětí střídavé a po jeho usměrnění vstupním usměrňovačem je potřeba důkladně vyhladit jeho zbytkové zvlnění vstupním filtrem.

Oba tyto prvky, jak usměrňovač, tak vstupní filtr musí být dostatečně účinné na síťovém kmitočtu 50 [Hz], což vede na užití prakticky libovolných usměrňovacích diod (vhodných parametrů), ale na značné nároky na filtrační člen (RC,LC), který i na takto nízkém kmitočtu musí být dostatečně účinný.

Abychom mohli vstupní napětí transformovat, je nutné jej převést na střídavý tvar, což se ve spínaném zdroji provádí pomocí vysokofrekvenčních spínacích tranzistorů, které při kmitočtech 20 [kHz] až 1 [MHz] vytvoří střídavý obdélníkový průběh.

Vlastní transformace velikosti napětí probíhá bud na indukčnosti, nebo na transformátoru. Výstupní střídavé napětí je nutno usměrnit a opětně vyfiltrovat obsah jeho střídavé složky. Přitom naopak vzhledem ke vstupním obvodům jsou vysoké požadavky kladeny na diody, které musí vykazovat usměrňovací efekt na pracovním kmitočtu (malá kapacita přechodu, malá spínací a zejména vypínací doba). Na výstupní filtr již zdaleka nejsou kladeny takové požadavky protože pracuje na vysokém kmitočtu a jeho filtrační účinky na tomto kmitočtu jsou vynikající.

Spínané zdroje dělíme do dvou velkých skupin:

a) spínané zdroje pracující s frekvencí sítě

b) spínané zdroje, pracující s vysokou frekvencí (10 kHz - 1 MHz)

a) Spínané zdroje pracující s frekvencí sítě

Jsou založeny na moderních polovodičových prvcích (tyristory a triaky) a prakticky nejsou výkonově omezeny. Rozeznáváme spínané zdroje

a)       bez transformátoru

b)       s regulací v primárním

c)       s regulací sekundárním obvodu transformátoru.

b) Spínané zdroje pracující s vysokou frekvencí.

Blokové schéma pulsního zdroje, pracujícího s vyšší frekvencí (10 kHz - 1 MHz) je na obr.

Stabilizátor pracuje takto : Astabilní klopný obvod generuje obdélníkový signál s konstantním kmitočtem (10 kHz - 1 MHz) a střídou  1:1. Tento signál spouští modulátor délky impulsu, který zapíná a vypíná spínač Q. Délku impulsu na výstupu modulátoru délky impulsu určuje zesilovač odchylky OZ. Filtr LC vyhlazuje napětí na výstupu spínače Q a dává potřebné stabilizované napětí. Toto napětí se v zesilovači odchylky OZ porovnává s referenčním napětím a výsledkem je napětí odchylky. Pro větší účinnost je mezi spínač Q a filtr zapojena zpětná dioda D. V okamžiku, kdy je tranzistorový spínač Q vypnut, napětí na tlumivce  prodlužuje nabíjení kondenzátoru C přes zpětnou diodu D. Účinnost spínacího stabilizátoru napětí s konstantním kmitočtem je podle rychlosti spínacích součástek 65% - 80%.

Starší provedení zdrojů měly síťový transformátor, novější zdroje jsou bez síťového transformátoru, s měniči, které mají vstup galvanicky oddělený od výstupu.

Blokové schéma zdroje se síťovým transformátorem je:

Střídače mohou pracovat v blokujícím režimu ( energie je dodávána v době T_a, když je spínač sepnut do akumulačního prvku, např. indukčnosti a v době T_b, když je spínač rozepnut je převáděna do zátěže) nebo v propustném režimu ( energie je předávána do zátěže ze sítě v čase T_a, když je spínač sepnut).