1. IMPULSNÍ NAPÁJECÍ ZDROJE A STABILIZÁTORY 1.1
Úvod
Úkolem této úlohy je seznámení se s principy, vlastnostmi a některými obvodovými realizacemi spínaných zdrojů. Pro získání teoretických znalostí k úloze je možno doporučit hlubší studium literatury [6.1] tj. Vysoký, O.: Elektronické systémy II, skriptum FEL ČVUT, 1997, str. 139 - 156. Popularita spínaných zdrojů stále roste a stávají se převažující skupinou napájecích zdrojů na trhu. Impulsní zdroje mají řadu výhod oproti klasickým lineárním zdrojům. Spínaný zdroj je při stejném výkonu mnohem menší než obdobný zdroj lineární, což umožňuje vytvářet kompaktní přístroje s malou hmotností i objemem. Velká účinnost (běžně 80% a více) umožňuje dimenzovat zařízení na menší ztrátový výkon a tím je možné omezit i chlazení systému. Konstrukce impulsních zdrojů však přináší i řadu problémů. Vzhledem k vysokým pracovním frekvencím jsou kladeny větší nároky na kvalitu součástek. Použití kvalitnějších součástek zvyšuje cenu impulsního zdroje. Cenu zvyšuje i nutnost odrušovat frekvence vyzařované do okolí, které jsou s těmito pracovními frekvencemi spojeny. Nevýhodou je i delší doba odezvy na změnu vstupního napětí a snižování účinnosti při malé zátěži. Porovnání některých typických parametrů spínaných a lineárních zdrojů je uvedeno v tab. 6.1. parametr účinnost [%] rozměry [W/cm3] hmotnost [W/kg] výstupní zvlnění [mV] šumové napětí [mV] odezva na skok [ms] doba náběhu [ms] cena
spínaný zdroj 75 0.2 100 50 200 1 20 přibližně konstantní
lineární zdroj 30 0.05 20 5 50 20 2 roste s výkonem
Tab. 6. 1 Porovnání některých typických parametrů spínaných a lineárních zdrojů
1.2
Obecný princip funkce bezeztrátového měniče DC-DC
Blokové schéma obecného bezeztrátového měniče DC-DC je naznačeno na obr. 6.1. Do značné míry vychází ze schématu lineárního (spojitého) zdroje (v tomto případě možná lépe řečeno - zpětnovazebního stabilizátoru). U spínaných zdrojů je však akční člen realizován spínačem (spínacím prvkem S). Další významnou změnou blokového schématu je náhrada zesilovače odchylky (u spojitých zdrojů) blokem převodu regulační odchylky na časovou posloupnost impulsů. Tento blok řídí spínání akčního členu S v závislosti na regulační odchylce, která je získávána podobně jako u spojitých zdrojů porovnáním výstupního napětí zdroje s referenčním napětím Ur. Podmínkou činnosti měniče je stejnosměrné vstupní napětí. Na místě spínače jsou používány vysokofrekvenční spínací prvky (např. tranzistory). Ty pracují obvykle na frekvencích 20kHz až 1MHz. Výsledkem jejich činnosti je obdélníkový průběh. Výstupní napětí je následně usměrněno a vyfiltrováno. Na výstupní filtr jsou kladeny zvýšené nároky,
neboť je zátěž po dobu kdy je spínač rozepnut napájena pouze z energie akumulované právě ve výstupním filtru. Často plní funkci akumulačního prvku cívka zapojená již jako součást bloku spínače (nebo transformátor, který umožní galvanické oddělení výstupního obvodu a má díky vysoké pracovní frekvenci daleko menší hmotnost i rozměry proti transformátoru síťovému).
Obr. 6.1 Blokové schéma obecného měniče DC-DC Porovnáním ztrát na akčním členu u spínaných a lineárních zdrojů je zřejmá nejvýznamnější výhoda impulsních zdrojů. K udržení konstantního výstupního napětí na spojitých zdrojích je na akčním členu (v tomto případě nemá charakter spínače, ale řízeného rezistoru) nutně napětí, které je rovno rozdílu vstupního a výstupního napětí, po celou dobu činnosti zdroje. Poněkud jiná je situace u zdrojů impulsních. Spínač S je sepnut pouze po část pracovního cyklu měniče a při sepnutí je na něm pouze malé napětí (obvykle saturační napětí), proto dochází ke značnému snížení ztrátového výkonu na tomto akčním členu oproti zdrojům spojitým. Ztrátový výkon je možné (při zanedbání přepínacích ztrát) vyjádřit přibližně vztahem: PZimp = US ⋅ IS ⋅ k kde
US IS k
(6.1)
je zbytkové napětí na spínacím prvku v době sepnutí proud procházející spínačem v době sepnutí pracovní činitel (0 ≤ k ≤ 1)
1.2.1 Akční členy bezeztrátových DC-DC měničů Existuje několik variant zapojení akčních členů bezeztrátových DC-DC měničů. V této úloze se budeme zabývat pouze dvěma z nich, v obou případech založenými na využití indukčnosti: a) obvod v němž je indukčnost zapojena do série se spínacím prvkem a zátěží (viz obr. 6.2). Tyto obvody jsou určeny pro snižování napětí a v anglosaské literatuře jsou označovány jako Step-Down Convertor nebo Positive (Negative) Buck Convertor. Po sepnutí spínače S roste na kondenzátoru a zátěži napětí s rychlostí nepřímo úměrnou hodnotám indukčnosti L a kapacity C. Po rozepnutí spínače S se snaží indukčnost L udržet směr a velikost proudu I1. Energie akumulovaná během první fáze (v době sepnutí spínače S) se mění na proud zátěže. Aby však proud zátěže mohl v této době protékat, je obvod doplněn dalším spínačem (diodou D, která je při sepnutém spínači S polarizována v závěrném směru). Z popisu funkce obvodu plyne, že během první části (sepnut S) napětí
na výstupu roste, kdežto během druhé časti (spínač S rozepnut) výstupní napětí klesá. Je-li však spínání dostatečně rychlé, je možno výstupní zvlnění dobře filtrovat. Pomocí jednoduchých vztahů je možno z výše uvedeného popisu odvodit, že výstupní napětí může být maximálně rovno vstupnímu napětí. Změnu výstupního napětí lze dosáhnout změnou vzájemného poměru dob t1 (spínač sepnut) a t2 (spínač rozepnut). Ve většině zapojení se používá principu změny střídy δ, tj. poměru dob t1 a t2 při zachování konstantní periody t0 (t0 = t1 + t2).
Obr. 6.2 Snižování napětí (Positive Buck Convertor) Teoretický rozbor činnosti obvodu je uveden např. v literatuře [6.1], str. 149, princip činnosti při použití ve stabilizátoru napětí pak tamtéž na str. 154. Zájemcům o návrh obvodu je možno potom doporučit literaturu [6.3], str. 148. b) obvod v němž je indukčnost zapojena do série se zátěží a spínač paralelně se zátěží (viz obr. 6.3). Tyto obvody jsou určeny pro zvyšování napětí a jsou označovány jako Step-Up Convertor či Boost Convertor. Popis obvodu bude uveden pro přehled, v úloze se jím nebudeme zabývat.
Obr. 6.3 Zvyšování napětí (Boost Convertor) Tento obvod, spolu s dalšími obvody popisovanými níže, předává energii ze vstupu na výstup poněkud odlišně proti obvodu popisovanému výše jako Step-Down Convertor. Zatímco v předchozím případě, jednalo se o tzv. propustný měnič, byla zátěž v době sepnutého spínače S připojena na vstupní zdroj energie, je v následujících případech zátěž od vstupního zdroje energie sepnutým spínačem S oddělena. Proto se tyto typy měničů nazývají blokující. Ze zdroje UI teče proud I1 přes indukčnost L a spínač S a energie se akumuluje v magnetickém poli indukčnosti L. Proud indukčností narůstá lineárně až do okamžiku, kdy je spínač rozepnut. V tom okamžiku indukčnost chce opět udržet směr a velikost proudu I1 a vzniká na ní indukované napětí. Indukované napětí se sčítá s napětím napájecího zdroje. Protože velikost indukovaného napětí UIND závisí na hodnotě indukčnosti L, na velikosti proudu I1 a na rychlosti rozepnutí spínače S, pak toto napětí není amplitudově omezeno a může být teoreticky libovolně vysoké. Vliv dob t1 a t2 na průběh výstupního napětí UO není u tohoto zapojení tak jednoznačný. S rostoucí dobou t1 sice roste velikost proudu I1 (při konstatním dI1/dt roste i UIND), ale současně klesá i napětí UO dlouhým vybíjením kondenzátoru C. Naopak, rostoucí dobou t2
je sice kondenzátor C déle dobíjen, ale pouze v tom případě, že velikost UI + UL je větší než UO+ UF , kde UF je napětí na diodě v propustném směru. Tato podmínka nemusí být vždy splněna. Návrh spínaného zdroje Step-Up je tedy složitější a je možno odvodit, že obvod nemůže být navržen tak, aby UI > UO. Teoretický rozbor činnosti obvodu je uveden opět např. v literatuře [6.1], str. 150. c) Modifikace předchozího případu b), použitá v této úloze. Spínač je v sérii se zátěží, ale paralelně je tentokrát indukčnost (obr. 6.4). Tyto obvody bývají používány k bezeztrátové tvorbě napětí opačné polarity.
Obr. 6.4 Modifikované zapojení případu b) V době t1 (sepnutý spínač S) roste lineárně proud I1 ze zdroje napětí UI přes spínač S a indukčnost L. Po rozepnutí spínače S (doba t2) se proud I2 bude uzavírat přes kondenzátor C a zátěž a druhý spínač, diodu D. Na kondenzátoru a zátěži je tedy napětí, ale v polaritě opačné než napětí vstupní. Vliv dob t1 a t2 u tohoto zapojení opět není jednoznačný. Při růstu doby t1 (sepnutí spínače S) sice roste velikost akumulované energie v magnetickém poli indukčnosti L, ale o to více klesá výstupní napětí (vybíjením kondenzátoru C do zátěže). Z principu činnosti obvodu vyplývá, že |UO | může být jak menší, tak i větší než |UI |. Teoretický rozbor činnosti obvodu je uveden opět např. v literatuře [6.1], str. 151. Zájemcům o návrh obvodu je možno doporučit literaturu [6.3], str. 172. Modifikace předchozího případu s indukčností provedenou ve formě transformátoru je naznačena na obr. 6.5. Je však nutno dbát na vzájemný vztah mezi začátky a konci obou vinutí a polaritou diody, při souhlasném směru vinutí by mohlo vzniknout zapojení propustného měniče, s úplně odlišnou funkcí.
Obr. 6.5 Modifikace zapojení s transformátorem
1.3
Pracovní módy
Hodnoty napájecího napětí, výstupního napětí, proudu zátěže a indukčnosti cívky určují pracovní mód obvodů - spojitý nebo nespojitý, přerušovaný. Provoz ve spojitém módu by měl být preferován, protože umožňuje nejvyšší výstupní výkon. V přerušovaném módu není
předávána energie z cívky do kondenzátoru a zátěže po celou příslušnou dobu cyklu (zde vždy doba t2), ale pouze po část této doby. Ve zbývající části je energie do zátěže dodávána z kondenzátoru. W P= L tO Minimální indukčnost cívky (určující hranici mezi spojitým a přerušovaným režimem) je možno pro všechny popisované případy určit přibližně z velikosti přenášeného výkonu během periody t0 : Po dosazení výrazu pro energii akumulovanou v magnetickém poli : 1 2 LI 2 f O 2 LI P= = tO 2 kde f O je pracovní frekvence měniče. Výkon na zátěži je dán též výstupním napětím a odporem zátěže : U2 P= RZ Porovnáním předchozích vztahů dostaneme :
LMIN =
1.4
2U O2 RZ I 2 f O
(6.2)
Popisy obvodů pro řízené spínače
Zapojení spínaných zdrojů jsou všeobecně komplikovaná a pro jejich znalost je nutno mít poznatky i o vnitřním zapojení specializovaných integrovaných obvodů, které jsou v těchto zdrojích užívány. Uvedeme dva z velkého množství takovýchto obvodů, obvod MAX730A firmy MAXIM a obvod UC3843 firmy UNITRODE.
1.4.1 Popis obvodu MAX730A 1.4.1.1
Určení MAX730
Jedná se o řídicí obvod pro snižovací převodník DC-DC (Step-Down Convertor) pracující podle principu uvedeného u obr. 6.2, obvykle ve funkci stabilizátoru napětí +5V, např. pro napájení periferních desek počítačů.
1.4.1.2
Popis funkce MAX730A
Obvod MAX730A je výrobcem navržen na konstantní výstupní napětí +5V. Výkonový spínací tranzistor typu MOSFET s kanálem P (zapojený mezi svorkami V+ a LX) je řízen klopným obvodem měnícím střídu spínání tranzistoru při konstantní frekvenci (PWM). Řídicí obvody obsahují dvě regulační smyčky. Ve vnitřní proudové regulační smyčce je snímána
pomocí vnitřního rezistoru hodnota výstupního proudu. Tento signál určuje rozepnutí výstupního výkonového tranzistoru jakmile hodnota výstupního proudu dosáhne nastavené úrovně. Ta však není konstantní, ale je řízena též výstupním napětím (např. pokles výstupního napětí generuje chybový signál, který zvýší uvedenou komparační úroveň a umožní tak obvodu v každém cyklu akumulovat v indukčnosti a předat na výstup více energie). Vnější napěťová regulační smyčka sleduje výstupní napětí, které je snímáno pomocí vnitřního odporového děliče (vstup OUT) a porovnáváno s napětím referenčním. Vliv této regulační smyčky se projeví ve formě vypuštění pracovního cyklu v případě výstupního napětí většího než nastavená mez.. Celý obvod je doplněn omezovačem výstupního proudu (přibližně na úrovni 1,5A) a obvodem, který nedovoluje funkci při malém napájecím napětí (funkce je zaručena pro napětí větší než +6V). Hodnoty napájecího napětí, výstupního napětí, proudu zátěže a indukčnosti cívky určují pracovní mód obvodu - spojitý nebo přerušovaný. Obvod pracuje dobře v obou režimech.
1.4.1.3 pin 1 2 3 4 5 6 7 8
Popis funkce jednotlivých vývodů MAX730A
označení SHDN\ REF SS CC OUT GND LX V+
funkce vstup logického řízení obvodu výstup vnitřního referenčního napětí +1,23V (max. 100µA) vstup obvodu „měkký“ start vývod pro vnější kompenzační kondenzátor vstup napěťové reg.smyčky, propojit s výstupem +5V zem výstup napájecí napětí
Tab. 6. 2 Funkce jednotlivých vývodů MAX730A
1.4.1.4
Parametry MAX730A
vstupní napětí výstupní napětí spínací frekvence vlastní spotřeba účinnost garantovaný výstupní proud
+5,2V ÷ +11V +5V 170kHz 1,4mA 85 ÷ 96% 450mA
1.4.1.5
Vnitřní blokové schéma MAX730A
Obr. 6.6 Blokové vnitřní schéma MAX730 (s doporučeným zapojením vnějších součástek)
1.4.2 Popis obvodu UC3843 1.4.2.1
Určení UC3843:
Obvod je navržen pro stavbu DC-DC měničů a síťových zdrojů s transformátorem s pevnou frekvencí a řízením proudu primárním vinutím. Aplikační zapojení vyžadují minimum vnějších součástek.
1.4.2.2
Popis funkce, parametry UC3843:
Obvod obsahuje, podobně jako předchozí obvod MAX730A, generátor pracovní frekvence, řízení plnění jednotlivých cyklů podle hodnoty proudu a odchylky výstupního napětí, budič výkonového tranzistoru MOSFET, vnitřní napěťovou referenci vypínanou při podpětí a detekci podpětí s hysterezí. Frekvence oscilátoru je dána hodnotami vnějšího rezistoru RT a kondenzátoru CT. Pro potlačení rušení je možno oscilátor synchronizovat vnějším signálem. Obvod pracuje na principu řízení maximální hodnoty proudu primárním vinutí podle odchylky výstupního napětí. V indukčnosti primárního vinutí transformátoru je po dosažení nastavené úrovně proudu uloženo definované množství energie, které je po vypnutí spínacího tranzistoru transformováno do výstupu měniče. Proud primárním vinutím je snímán na externím snímacím rezistoru RS (R11 na obr. 6.14). Získané napětí je přivedeno na vstup komparátoru proudu. Maximální hodnota napětí je 1V. Tato hodnota určuje maximální proud primárním vinutím v době, kdy ještě nebylo dosaženo požadované hodnoty výstupního napětí
a zabraňuje přesycení. Výstup komparátoru proudu je využit k nulování klopného obvodu řídícího budič tranzistoru. Klopný obvod je nastavován na počátku každého cyklu oscilátoru. Výstupní napětí zdroje bývá obvykle sníženo (není-li požadováno galvanické oddělení, vyhoví odporový dělič) a porovnáno s referenčním napětím +2,5V (maximální vstupní proud 2mA). Napětí z komparátoru je dále sníženo o 1,4V dvěma diodami, což zajišťuje možnost úplného vypnutí zdroje připojením výstupu komparátoru na nízkou úroveň nebo při odpojení zátěže. Napětí za diodami je sníženo na třetinu a omezeno na úroveň +1V. Toto napětí je přivedeno na druhý vstup komparátoru pro omezení proudu. Výsledkem činnosti celého obvodu (tj. včetně indukčnosti) je řízení doby sepnutí výstupního tranzistoru (PWM) během cyklu oscilátoru podle odchylky výstupního napětí. Limitace špičkového proudu zároveň zajišťuje, že nedochází k přesycování indukčnosti ani při proměnném vstupním napětí. Podpěťová ochrana zajišťuje po startu spuštění výstupního budiče až v okamžiku, kdy napájecí napětí dosáhne horní prahové úrovně. Poté je obvod spuštěn a zůstává v činnosti do okamžiku poklesu jeho napájecího napětí pod spodní prahovou úroveň. Pro obvod UC3843 jsou prahové úrovně +8,4V/+7,6V. Napájecí napětí pro obvod lze získat přivedením vstupního napětí přes člen s rezistorem a kondenzátorem. Protože je ve vypnutém stavu odběr obvodu maximálně 0,5mA, může být hodnota rezistoru velká. Po překročení horní prahové úrovně napájecího napětí je obvod spuštěn, přičemž energie uložená v kondenzátoru je využita ke startu zdroje a dosažení požadované hodnoty výstupního napětí. Dále již může být celý obvod napájen z výstupního napětí nebo z pomocného vinutí.
1.4.2.3 pin 1 2 3 4 5 6 7 8
Popis funkce jednotlivých vývodů UC3843
označení COMP VFB ISENSE RT/CT GND OUTPUT VCC VREF
funkce vstup frekvenční kompenzace vstup komparátoru napětí vstup komparátoru proud vstup připojení externích RT a CT zem výstup typu „totem“ napájecí napětí výstup referenčního napětí
Tab. 6. 3 Funkce jednotlivých vývodů UC3843 (DIL-8, SOIC-8)
1.4.2.4
Vnitřní blokové schéma UC3843
Obr. 6.7 Blokové vnitřní schéma obvodu UC3843
1.5
Řešený příklad
Zadání: Nakreslete vzájemnou časovou souvislost typických průběhů všech napětí a proudů vyznačených v zapojení podle obr. 6.8 pro případy: a) L > LMIN b) L < LMIN Předpokládejte, že regulační smyčka (při konstantní době pracovního cyklu) řídí dobu sepnutí spínače tak, aby střední hodnota napětí uO ≈ 2 UB.
Obr. 6.8 K řešenému příkladu Řešení: Pro jednoduchost budeme kreslit pouze přímkové průběhy (v některých případech se sice jedná o exponenciální průběhy, ale s velkými časovými konstantami). Průběhy při spojitém módu (L > LMIN) rozdělíme na dva úseky (viz obr. 6.9): S spínač sepnut R spínač rozepnut průběh iL
úsek S - energie ze zdroje do cívky
průběh uD průběh iC průběh uO
úsek R- energie z cívky do kondenzátoru a zátěže úsek S - zavřená dioda, záporně průběh uO úsek R - otevřená dioda úsek S - energie z kondenzátoru do zátěže úsek R - energie z cívky do kondenzátoru úsek S - energie z kondenzátoru do zátěže úsek R - energie z cívky do kondenzátoru a zátěže
Průběhy při přerušovaném módu (L < LMIN) rozdělíme na tři úseky (viz obr. 6.9): S spínač sepnut R1 spínač rozepnut - energii do zátěže dodává cívka R2 spínač rozepnut- energii do zátěže dodává kondenzátor průběh iL průběh uD průběh iC průběh uO
úsek S - energie ze zdroje do cívky úsek R1 - energie z cívky do kondenzátoru a zátěže úsek R2 - energie z kondenzátoru do zátěže úsek S - zavřená dioda, záporně průběh uO úsek R1 - otevřená dioda úsek R2 - zavřená dioda, záporně průběh (uO - UB) úsek S - energie z kondenzátoru do zátěže úsek R1 - energie z cívky do kondenzátoru úsek R2 - energie z kondenzátoru do zátěže úsek S - energie z kondenzátoru do zátěže úsek R1 - energie z cívky do kondenzátoru a zátěže úsek R2 - energie z kondenzátoru do zátěže spojitý mód
Obr. 6.9 K řešenému příkladu
přerušovaný mód
1.6
Neřešené příklady
Zadání I. Nakreslete vzájemnou časovou souvislost typických průběhů všech napětí a proudů vyznačených v zapojení podle obr. 6.10 pro případy: a) L > LMIN b) L = LMIN c) L < LMIN Předpokládejte, že regulační smyčka (při konstantní době pracovního cyklu) řídí dobu sepnutí spínače tak, aby střední hodnota napětí uO ≈ - UB.
Obr. 6.10 K neřešenému příkladu I. Zadání II. Určete amplitudu a frekvenci zvlnění výstupního napětí UO v zapojení podle obr. 6.11. Operační zesilovač OZ je napájen vstupním napětím, tranzistor T předpokládejte křemíkový, Zenerovo napětí diody D1 Uz = 5V Pozn.: řešení této úlohy předpokládá alespoň minimální znalosti řešení problematiky nelineárních aplikací OZ.
Obr. 6.11 K neřešenému příkladu II.
1.7
Domácí příprava
A) Nakreslete vzájemnou časovou souvislost typických průběhů všech napětí a proudů vyznačených v zapojení podle obr. 6.12 pro případy: a) L > LMIN b) L < LMIN Předpokládejte, že regulační smyčka (při konstantní době pracovního cyklu) řídí dobu sepnutí spínače tak, aby střední hodnota napětí uO ≈ UB / 2.
Obr. 6. 12 K domácí přípravě B) Vypočtěte LMIN pro případ zapojení podle obr. 6.12, kde nap. napětí výst. napětí prac. frekvence zatěž. proud kondenzátor
1.8
UB = +10V UO = +5V fo = 170kHz IZ = 0,5A C = 20µF
Popis měřicích přípravků
1.8.1 DC-DC měnič s obvodem MAX730A Přípravek s obvodem MAX730A je jednoduchý DC-DC měnič, zapojený jako stabilizátor napětí +5V. Řídicí obvod je zapojen v katalogovém zapojení a využívá minimum vnějších součástek. Vzhled čelního panelu přípravku je uveden na obr. 6.13.
Obr. 6.13 Čelní panel měřicího přípravku s obvodem MAX730A Indukčnost cívky L1 je volena menší proti hodnotě uvedené v katalogu, aby bylo možno dobře pozorovat oba módy režimu činnosti obvodu.
1.8.2 DC-DC měnič s obvodem UC3843
Obr. 6. 14 Čelní panel měřicího přípravku s obvodem UC3843
Na obr. 6.14 je uveden čelní panel přípravku, schéma jednoduchého zdroje s obvodem UC3843. Jde o blokující měnič s transformátorem s několika výstupními vinutími, pracující na principu odpovídajícímu obr. 6.5, ale bez galvanického oddělení. Řízení je odvozeno z napětí jednoho výstupu. Napětí ostatních výstupů je dáno vzájemnou vazbou vinutí. Řídicí obvod je po spuštění napájen z pomocného vinutí. Měnič je navržen pro vstupní napětí +18V až +36V. Výkonová část primární části zdroje je tvořena primárním vinutím L1 transformátoru, spínacím MOSFET tranzistorem T1 a snímacím rezistorem R11. Po propojení svorek 7 a 8 dojde k snížení hodnoty snímacího rezistoru na polovinu (paralelní kombinace R11 a R10) a tím k zvýšení maximálního výkonu zdroje na čtyřnásobek. Svorka 6 slouží k zobrazení průběhu proudu primárním vinutím na osciloskopu. Na svorce 5 lze pozorovat napětí na spínacím tranzistoru (pozor, napětí na primárním vinutí musí být uvažováno vzhledem ke kladné svorce vstupního napětí). Ochranný obvod D3, C1 a R2 slouží k pohlcení napěťových špiček v době po vypnutí tranzistoru T1, než dojde k úplnému otevření diod na výstupních vinutích. Zbytková energie v transformátoru, kterou již nelze transformovat do výstupních vinutí, způsobuje oscilaci napětí v konci pracovního cyklu. Rezistor R25 slouží k jejímu vybití. Po sepnutí spínacího tranzistoru dojde k lineárnímu růstu proudu primárním vinutím L1. Po dosažení nastavené úrovně proudu je tranzistor rozepnut. Indukčnost transformátoru indukuje opačné napětí na primárním vinutí a zároveň se přes změnu magnetického pole indukuje napětí odpovídající poměrům závitů na sekundárních vinutích L2, L4 a L6. Indukované napětí lze sledovat na svorce 1. Indukované napětí je přivedeno přes diody D1, D4, D5 a D6 do výstupních kondenzátorů C2, C3 a C13. Je použito rychlých Schottkyho diod 1N5819. Výstupní napětí jsou filtrována kombinacemi tlumivek L3 a L5 a kondenzátorů C4, C5, C10 a C11. Keramické kondenzátory jsou použity kvůli filtracím vyšších frekvencí. Člen C8, R9 slouží k tvarování signálu přivedeného na hradlo tranzistoru. Především zrychluje zavírání tranzistoru vybitím náboje na parazitním kondenzátoru hradlo-kolektor do záporného napětí na C8. Řídicí signál pro tranzistor T1 lze sledovat na svorce 4. Tento signál lze též výhodně využít k externí synchronizaci osciloskopu. Člen R8 a C12 určuje pracovní frekvenci měniče. Nejsou-li propojeny svorky 2 a 3 přípravku, není výstupní napětí stabilizováno. Transformátor je přes spínač plněn v každém cyklu energií, jejíž velikost odpovídá proudu primárním vinutím. Obvod vypíná výstupní budič po dosažení hodnoty 1V na snímacím rezistoru. Po uzavření zpětné vazby propojením svorek 2 a 3 je na vstup napěťového komparátoru přes odporový dělič R5 a R13 přivedena polovina kladného výstupního napětí. Při vnitřním referenčním napětí +2,5V je tedy stabilizovaná hodnota výstupního napětí +5V. Rezistory R6, R7 a kondenzátor C7 tvoří frekvenční kompenzaci napěťové zpětné vazby.
1.9
Úkoly měření
1.9.1 Měření na přípravku s obvodem MAX730A A.1. Na výstup přípravku připojte malou zátěž (odpor cca 250Ω), na vstup přípravku přiveďte napětí 10V. Zkontrolujte činnost stabilizátoru. A.2. Nakreslete časové průběhy napětí na diodě (svorka 2) a zvlnění výstupního napětí (svorka 3), stručně vysvětlete jejich vzájemnou souvislost. A.3. Určete hodnotu zatěžovacího proudu (napájecí napětí 10V), při kterém obvod přechází do režimu spojitého módu. A.4. Změřte a zakreslete zatěžovací charakteristiku (max. 800mA) při napájecím napětí 10V. A.5. Změřte účinnost stabilizátoru v závislosti :
a) na vstupním napětí (od 6V do 11V max.!), při konstantní zátěži 100mA, b) na zátěži (max. 800mA), při konstantním napájecím napětí 10V.
1.9.2 Měření na přípravku s obvodem UC3843 B.1. Rozpojte všechny propojky, na výstup přípravku připojte malou zátěž (odpor cca 250Ω) na vstup přípravku přiveďte napětí 24V. Zkontrolujte činnost zdroje a zakreslete časové průběhy signálů na svorkách 1, 5 a 6. Stručně vysvětlete vzájemnou časovou souvislost zakreslených průběhů. K synchronizaci osciloskopu můžete použít řídicí signál tranzistoru na svorce 4. B.2. Změřte a zakreslete, při napájecím napětí 24V, zatěžovací charakteristiku kladného výstupu (do vypnutí funkce, tj. do cca 300 mA). B.3. Pozorujte změnu průběhu signálu na svorce 5 při změně vstupního napětí. Které parametry signálu se mění a jak? B.4. Nalezněte při vstupním napětí 24V zatížení, při kterém je účinnost zdroje maximální. B.5. Zapojte zpětnou vazbu propojením svorek 2 a 3. Změřte zatěžovací charakteristiku kladného výstupu při napájecím napětí 24V a přitom sledujte průběhy na svorkách 5 a 6. Jak se mění se změnou zátěže parametry signálů na uvedených svorkách? Současně sledujte vzájemnou vazbu mezi výstupy tj. měřte napětí i na záporném výstupu. B.6. Opakujte měření bodu B.5. pro vyšší maximální proud (po propojení svorek 7 a 8).
1.10 Literatura [6.1] Vysoký, O.: Elektronické systémy II, skriptum FEL ČVUT, 1997 [6.2] Krejčiřík, A.: Napájecí zdroje I., BEN, Praha, 1996 [6.3] Krejčiřík, A.: Napájecí zdroje II., BEN, Praha 1996
