Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura
[email protected]
8. ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ ˚ SPÍNANÝCH ZDROJU Zapojení spínaných zdroju˚ jsou všeobecneˇ komplikovaná a pro jejich znalost je nutno znát i vnitrˇní zapojení specializovaných integrovaných obvodu˚, které jsou v teˇchto zdrojích užívány. Nicméneˇ odhlédneme-li od oblasti obvodu˚ zpeˇtnovazebních stabilizací, lze spínané zdroje rozdeˇlit podle jejich zapojení a funkce do neˇkolika základních skupin. Jednotlivá zapojení se obvykle rozlišují podle zpu˚sobu prˇenosu energie z primárních obvodu˚ do obvodu˚ sekundárních: a) Propustné zapojení (v anglických publikacích ozanacˇováno jako FORWARD): je charakterizováno prˇímým prˇenosem energie prˇes transformátor, tj. tecˇe-li proud primárním vinutím (v okamžiku sepnutí spínacˇe), tecˇe soucˇasneˇ i sekundárním vinutím. Je to urcˇeno vzájemnou polaritou primárního a sekundárního vinutí a polaritou výstupní diody.
Obr.8.1 Propustné zapojení – tranzistor sepnut
Obr.8.2 Propustné zapojení – rozepnutý tranzistor
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
Tecˇka u jednotlivých vinutí oznacˇuje zacˇátek vinutí. Bud’ jsou obeˇ vinutí vinuta souhlasneˇ a obeˇ tecˇky jsou nahorˇe, pak kladné polariteˇ vstupního napeˇtí transformátoru odpovídá kladná polarita výstupního napeˇtí, nebo je jedna z tecˇek dole a druhá nahorˇe – tím je oznacˇeno, že vinutí jsou vinuta opacˇneˇ a tedy kladnému napeˇtí na vstupu odpovídá záporné napeˇtí na výstupu. Popis cˇinnosti je dán opeˇt ve dvou cˇasových intervalech t1 a t2. Beˇhem doby t1 platí: UIN . t1 / L1 = dIC, beˇhem doby t2 platí: − (Uout) . t2 / (p . L1 ) = dIC a opeˇt porovnáním obou rovnic dostaneme: Uout = UIN . p . δ / (1 − δ). Prˇevodní pomeˇr transformátoru je dán vztahem: p = N2 / N1 = U2 / U1. Výsledný vztah pro Uout ukazuje, že výstupní napeˇtí mu˚že být opeˇt jak vyšší, tak nižší, než napeˇtí vstupní, ale vlivem prˇevodního pomeˇru transformátoru p prˇi jiném rozsahu hodnot δ než u zapojení invertujícího. b) Akumulující zapojení (v anglosaské literaturˇe oznacˇované jako FLYBACK): tecˇe-li vstupním vinutím proud, je sekundární vinutí vzhledem k polariteˇ výstupní diody polarizováno tak, že proud netecˇe. Veškerá energie je uložena v magnetickém poli transformátoru a teprve po ukoncˇení proudu primárním vinutím zacˇíná protékat proud vinutím sekundárním, obr.8.3. Primární vinutí, na neˇmž je napeˇtí U1, je vinuto opacˇným smeˇrem než vinutí sekundární s napeˇtím U2 (na obr.8.3 je polarita vstupního napeˇtí U1 vyznacˇena pro sepnutý tranzistor T a polarita výstupního napeˇtí U2 až pro rozepnutý tranzistor T – nejsou již rozkreslována dveˇ zapojení). I akumulující zapojení lze doplnit rekuperacˇní diodou a rekuperacˇním vinutím, obr.8.4, ale jejich použití není u tohoto zapojení nezbytné, pouze zlepšuje úcˇinnost využitím té cˇásti energie, která po rozepnutí tranzistoru je akumulována v magnetickém poli transformátoru a není z neˇjakých du˚vodu˚ prˇenesena do výstupních obvodu˚ (rychlá zmeˇna zateˇžovacích pomeˇru˚).
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
Proto tecˇe-li proud primárním vinutím prˇi sepnutí tranzistoru T, nemu˚že soucˇasneˇ téci proud vinutím sekundárním – dioda je polarizována záveˇrneˇ. Teprve prˇi rozepnutí proudu IC, se naindukuje napeˇtí U2 v opacˇné polariteˇ, výstupní dioda je propustná a vinutím protéká proud.
Obr.8.3 Akumulující zapojení
Obr.8.4 Rekuperacˇní vinutí Tak se v sekundárním vinutí indukuje napeˇtí U2, které již je vhodné polarity pro pru˚chod proudu usmeˇrnˇovací diodou. c) Dvojcˇinná zapojení (PUSH-PULL): do primárního vinutí je spínán proud obou polarit pomocí dvou spínacích prvku˚, které pracují v inverzním zapojení. Obvykle i výstupní usmeˇrnˇovacˇe jsou dvoucestné, takže se vlastneˇ jedná o dvojcˇinnou verzi propustného zapojení. V dnešní dobeˇ je naprostá veˇtšina spínaných zdroju˚ tohoto principu, modifikovaného zpu˚sobem buzení primárního vinutí obeˇma spínacˇi. Oblast použití jednotlivých typu˚ meˇnicˇu˚ (i jiných než spínaných zdroju˚) prˇibližneˇ vymezuje tabulka 8.1.
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
8.1 Propustné zapojení Princip tohoto zapojení byl již uveden na obr.8.1, vychází z takové polarizace výstupní usmeˇrnˇovací diody a vzájemné polarity primárního a sekundárního vinutí transformátoru, kdy prˇi pru˚chodu proudu vinutím primárním mu˚že protékat proud vinutím sekundárním. Užití rekuperacˇní diody s pomocným trˇetím vinutím je tedy nezbytné. Pokud má toto trˇetí vinutí shodný pocˇet závitu˚, jako vinutí primární (spínané tranzistorem) – to se obvykle zajišt’uje bifilárním vinutím, pak je indukované napeˇtí práveˇ dvojnásobné. Prˇes nevýhodu dalšího vinutí a diody je toto zapojení užívané pro absenci problému˚ se stejnosmeˇrným sycením jádra transformátoru. Strˇída spínání však mu˚že být maximálneˇ 50 [%] (t1 < t2). Tabulka 8.1 Oblasti užití jednotlivých typu˚ meˇnicˇu˚
typ zapojení
rozsah výkonu˚
aplikace
meˇnicˇe DC/DC
do 5 [W]
získání jiné hodnoty napeˇtí, než poskytuje hlavní zdroj prˇístroje
meˇnicˇe s transformátorem
do 10 [W]
získání stejnosmeˇrných napeˇtí do 30 [V] jako náhrada za bateriové napájení
blokovací oscilátory
do 20 [W]
získávání strˇídavých napeˇtí ze stejnosmeˇrného napeˇtí akumulátoru˚
akumulující meˇnicˇe
do 50 [W]
jednoduché spínané zdroje ze sít’ového napeˇtí
propustné meˇnicˇe
do 100 [W]
jednoduché spínané zdroje ze sít’ového napeˇtí
dvojcˇinné polomosty
do 200 [W]
veˇtšina spínaných zdroju˚ v PC
dvojcˇinné plné mosty
do 500 [W]
rˇízení motoru˚
V okamžiku, kdy je sepnut tranzistor T na obr.8.1, zacˇne lineárneˇ naru˚stat proud, tekoucí vinutím 1 a na tomto vinutí je napeˇtí U1 v naznacˇené polariteˇ. Protože sekundární vinutí je svým smyslem vinutí polarizováno shodneˇ s vinutím primárním, je indukované napeˇtí takové polarity, že je mu˚že dioda D1 usmeˇrnit – tecˇe tedy
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
diodou D1 proud. Soucˇasneˇ je indukováno napeˇtí v kladné polariteˇ i na vinutí 3 o velikosti U3 – obr.8.1. Toto napeˇtí nemu˚že vyvolat pru˚chod proudu vlivem polarizace diody DR. Teprve v okamžiku, kdy je rozepnut tranzistor T – obr.8.2, indukuje pokles proudu vinutím 1 napeˇtí do vinutí jak 2, tak i 3 a to v naznacˇené polariteˇ. Napeˇtí U3 je v tomto okamžiku takové polarity, že dioda DR je vodivá. Dioda D2 umožnˇuje pru˚tok výstupního proudu z tlumivky do záteˇže beˇhem doby t2, tj. v dobeˇ rozepnutého tranzistoru T, kdy diodou D1 proud netecˇe. Pokud je indukované napeˇtí v pomocném (rekuperacˇním) vinutí tak velké, že prˇevyšuje napeˇtí (minimálneˇ o úbytek na rekuperacˇní diodeˇ) na kondenzátoru napájecího zdroje, je tento kondenzátor prˇi rozepnutém tranzistoru dobíjen a cˇást energie je tak vracena zpeˇt do napájecího zdroje. Tím je zvyšována úcˇinnost zapojení a je omezováno riziko pru˚razu tranzistoru indukovaným napeˇtím prˇi vypínání indukcˇní záteˇže.
8.2 Akumulacˇní zapojení Akumulacˇní zapojení spínaného zdroje je uvedeno na obr.8.3. Užívá se pro rozsah výkonu˚ prˇibližneˇ v rozsahu 20 až 50 [W], jeho úcˇinnost bývá okolo 80 [%] a doporucˇuje se, aby strˇída spínání spínacího prvku neprˇesáhla 40 [%] (strˇída je pomeˇr s = t1 / t2 = doba sepnutí spínacˇe ku dobeˇ rozepnutí spínacˇe, vyjádrˇená bud’ jako naprˇ. 0,4 [-] nebo jako uvedených 40 [%]) aby bylo možno dosáhnout uvedené úcˇinnosti. Pracovní kmitocˇet teˇchto spínaných zdroju˚ bývá podle kvality tranzistoru, diod a transformátoru v rozmezí od 50 [kHz] do 500 [kHz]. Tranzistor T je nutno dimenzovat minimálneˇ na proud: ICmax > 2 . Pvýst / (ν . s . UINmin . 2) a na napeˇtí: UCEmax > 2 . UINmax .
2,
kde UIN je vstupní stejnosmeˇrné napeˇtí, Pvýst je odebíraný výstupní výkon, s je strˇída t1 / t2 a ν je úcˇinnost spínaného zdroje (0,8). V zapojení lze stejneˇ dobrˇe užít tranzistor jak bipolární, tak unipolární. Tento typ obvodu je obvykle nejlevneˇjší, avšak užívá se pouze pro malé výstupní výkony. Obvykle mívá i vyšší prˇípustnou hodnotu zvlneˇní výstupního napeˇtí. Pro sít’ové vstupní napeˇtí 220 [V] je nutno dostatecˇneˇ dimenzovat spínací tranzistor napeˇt’oveˇ, protože prˇi 220 [V] efektivních je maximální hodnota UINmax = 310 [V] a tranzistor mu˚že být namáhán až dvojnásobkem této špicˇkové hodnoty, tj. napeˇtím 620 [V]. Protože sít’ové napeˇtí mu˚že kolísat do kladných hodnot až o 20 [%], je nutno reálný tranzistor dimenzovat na napeˇtí okolo UCEmax = 1 [kV]. Prˇitom jeho spínací a vypínací doby by meˇly být zanedbatelné oproti opakovací dobeˇ:
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
ton = toff << T = t1 + t2 = 1 / fopak, tj. prˇi požadovaném knitocˇtu cca 100 [kHz] je doba periody 10 [µs] a zapínací a vypínací doby by se meˇly pohybovat cca o dva ˇrády níže, tj. okolo 100 [ns]. Obdobné parametry musí platit i pro všechny užité diody. Pro tento typ spínaného zdroje je podstatný režim jeho cˇinnosti, ve kterém se nachází. Pokud zateˇžovací proud klesá pod jistou hranici, pak se snižuje úhel otevrˇení tranzistoru a prˇi malé hodnoteˇ indukcˇnosti primární cívky transformátoru naru˚stá amplituda proudu. Prˇekrocˇí-li zateˇžovací proud uvedenou hodnotu, pak tecˇe proud tranzistorem po celou dobu jeho otevrˇení a výrazneˇ klesá jeho špicˇkové proudové namáhání.
8.3 Kombinované zapojení Vzhledem k tomu, že nutnost rekuperacˇního vinutí komplikuje realizaci transformátoru, je vhodné zkombinovat dva tranzistory a dveˇ rekuperacˇní diody podle obr.8.5.
Obr.8.5 Kombinované zapojení – sepnuté tranzistory po dobu t1 Jestliže sepneme oba tranzistory soucˇasneˇ. pak protéká proud z kladné stejnosmeˇrné svorky prˇes tranzistor T1, primární vinutí transformátoru a druhý tranzistor T2. Po rozepnutí obou tranzistoru˚ soucˇasneˇ má proud primární indukcˇností snahu pokracˇovat ve stejné velikosti a stejném smeˇru. Protéká tedy z horní svorky primárního vinutí transformátoru prˇes diodu D1, zdroj, diodu D2 na spodní svorku
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
primárního vinutí transformátoru – obr.8.6. Polarita zapojení výstupní usmeˇrnˇovací diody pak udává, zda se jedná o zapojení propustné, nebo akumulující.
Obr.8.6 Kombinované zapojení – rozepnuté tranzistory po dobu t2 Pokud by se jednalo o zdroj, kde je stejnosmeˇrné napeˇtí získáno usmeˇrneˇním sít’ového napeˇtí 220 [V], potom oba tranzistory mohou být namáhány až na špicˇkové napeˇtí, tj. na hodnotu 220 . 2 = 310 [V] a v praxi je volíme s rezervou UCEM vyšší, naprˇ. 800 [V] až 1 [kV], tj. naprˇ. z nabídky fy Motorola to jsou tranzistory MJE13000 nebo MJE16000.
8.4 Dvoucˇinné zapojení Princip dvoucˇinného zapojení spínaného zdroje je stejný jako u dvoucˇinných zesilovacˇu˚ (oznacˇovaných PUSH-PULL). Základní soucˇástkou je symetrické primární vinutí transformátoru, obr.8.7, kde každá jeho polovina je buzena samostatným tranzistorem. Výhodou je neprˇítomnost stejnosmeˇrné složky sycení jádra transformátoru. S výhodou se na sekundární straneˇ užívá dvoucestné zapojení usmeˇrnˇovacˇe (dvoucestný nebo mu˚stek). Potom výkon je prˇenášen prˇímo v každé pu˚lperiodeˇ jednou z diod a akumulovaneˇ druhou. Úcˇinnost takovýchto zapojení je velmi vysoká a pohybuje se nad 80 [%]. Další výhodou je možnost širokého rozsahu regulace. U tohoto zapojení již nelze jednoduše definovat šírˇku regulace pomocí strˇídy (tj. pomeˇru dob t1 / t2). Pro tuto definici je trˇeba si uveˇdomit tvar spínání proudu˚ obou tranzistoru˚ – obr.8.8. Doba periody T je opeˇt (s výhodou) konstantní, T = 1 / f.
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
Skládá se však ze dvou symetrických cˇasových okamžiku˚ tA a tB, pro které platí: tA = tB = T / 2.
Obr.8.7 Dvoucˇinné zapojení Teprve u doby tA, resp. doby tB mu˚žeme mluvit o úhlu sepnutí tranzistoru, prˇípadneˇ o strˇídeˇ sepnutí. Tranzistor bývá spínán obvykle okolo strˇedu doby tA, tj. cˇtvrtiny doby T. Dobu sepnutí tranzistoru t1 opeˇt v souhlase s prˇedcházejícím oznacˇujeme t1 a doba, po kterou je tranzistor vypnut (kromeˇ doby tB u tranzistoru t1) se skládá ze dvou cˇástí, symetricky okolo doby t1, tedy z doby t2a prˇed dobou t1 a také z doby t2b po dobeˇ t1. V soucˇtu tedy platí: t1 + t2a + t2b = T / 2. Totéž platí i pro tranzistor T2. Strˇída sepnutí, definovaná shodneˇ s prˇedcházejícím je tedy dána vztahem: s = t1 / (t2a + t2b). Tato strˇída mu˚že být u dvoucˇinného zapojení až okolo 80 [%], tj. je vhodné z hlediska tolerance soucˇástek a buzení ponechat doby t2a a t2b jenom asi okolo 10 [%] z doby T / 2 jako bezpecˇnostní interval, zamezující soucˇasnému sepnutí obou tranzistoru˚. Souvisí to samozrˇejmeˇ i s vypínací dobou tranzistoru˚. Uvedené pomeˇry jsou graficky znázorneˇny na obr.8.8. Horní graf platí pro tranzistor T1 z obr.8.7, kdy tecˇe-li proud IC1, je tranzistor sepnut a naopak v rozepnutém stavu (po dobu t2a, t2b a celou pu˚lperiodu tB tranzistorem tecˇe pouze zbytkový proud ICEo. Spodní graf platí pro tranzistor T2 a jeho cˇasové pomeˇry jsou shodné, pouze posunuté v cˇase o dobu T / 2.
Alexandr Krejcˇirˇík: Napájecí zdroje I. – BEN technická literatura
