Stejnosměrné měniče napětí Principy regulátorů fotovoltaických systémů

Rozdělení DC měničů napětí Měniče s transformátorem výstup je galvanicky oddělený od vstupu spínací prvek je umístěný v primárním obvodu transformátoru sekundární napětí se usměrňuje jednopulzním nebo dvoupulzním usměrňovačem pro větší poměr U1 : U2 je přeměna účinnější než u měniče bez transformátoru Měniče bez transformátoru (přímé měniče) výstup není od vstupu galvanicky oddělený měniče používají menší počet výkonových součástek velmi efektivně pracují při malém poměru U1 : U2 se zvyšujícím se poměrem U1 : U2 účinnost měniče výrazně klesá

Měniče bez transformátoru využívají přechodových dějů ve spínaném R-L obvodu, který se opakovaně velmi rychle připojuje a odpojuje od zdroje stejnosměrného napětí ke změně hodnoty výstupního napětí se využívá napětí indukované na cívce při poklesu proudu v obvodu mohou napětí snižovat, zvyšovat nebo obracet polaritu pro malé rozdíly mezi vstupním a výstupním napětím dosahují vysoké účinnosti s rostoucím rozdílem vstupního a výstupního napětí účinnost výrazně klesá používají se v regulátorech solárních panelů, např. u ostrovních systémů zabraňují přebíjení akumulátorů

Měnič tvoří: cívka s velkou vlastní indukčností (tlumivka s feritovým jádrem) elektronický spínač, např. FET tranzistor nejméně 2 elektrolytické kondenzátory vstupní omezuje proudové špičky při spínání výstupní vyhlazuje průběh výstupního napětí velmi rychlá zpětná dioda, např. Schottkyho řídící integrovaný obvod, který poměrem doby sepnutí a rozpojení spínacího prvku reguluje hodnotu výstupního napětí nebo udržuje konstantní napětí při různém zatížení

Přechodové děje v R-L obvodu (na cívce) po připojení cívky ke zdroji napětí se vlivem vlastní indukčnosti cívky začne zvyšovat proud v obvodu s plynoucím časem se snižuje napětí na indukčnosti cívky časová konstanta obvodu

Chování cívky při rozpojení obvodu v okamžiku, kdy hodnota proudu v obvodu začne klesat začne se na cívce indukovat napětí opačné polarity ui=L. i/t energie magnetického pole cívky se mění na indukované napětí přivedené zpět do obvodu při rozpojení obvodu klesá proud téměř okamžitě k nule, indukovaná napětí dosahují takových hodnot, že v místě rozpojení můžeme pozorovat přeskok jiskry připojíme-li paralelně k cívce diodu, tzv. zpětnou diodu, lze energii magnetického pole cívky zpět přeměnit na elektrický proud ID, kterým se u měničů nabíjí kondenzátory výstupních obvodů

Průběhy napětí a proudů v R – L obvodu se zpětnou diodou při připojení a odpojení od zdroje napětí napětí indukované na cívce má v okamžiku odpojení od zdroje opačnou polaritu a klesá k nule zpětná dioda zajistí, aby při poklesu proudu bylo indukované napětí přivedeno na zátěž ve stejné polaritě jako je polarita napájecího napětí proud v obvodu má v okamžiku odpojení od zdroje maximální hodnotu přechodový děj skončí poklesem proudu na nulu

Snižující DC měnič napětí Spínací prvek je zařazený před cívku blíže ke zdroji při sepnutí tranzistoru začne obvodem protékat proud IT, který nabíjí kondenzátor C2 vypnutím tranzistoru se energie magnetického pole cívky mění na proud ID protékající zpětnou diodou D, který dále nabíjí kondenzátor C2, poměrem doby sepnutí a rozepnutí tranzistoru se reguluje hodnota výstupního napětí U2 nebo aby se výstupní napětí neměnilo se změnou zatížení pro krátké spínací časy je zvlnění výstupního napětí malé při trvalém otevření tranzistoru může U2 dosáhnout téměř hodnoty U1

Průběhy napětí na snižujícím DC měniči v okamžiku kdy obvod zpětné vazby měniče zjistí dosažení hodnoty U2max dojde k vypnutí spínacího tranzistoru k sepnutí tranzistoru dojde při poklesu výstupního napětí pod hodnotu U2min po dobu T1 je tranzistor sepnutý a výstupní kondenzátor se nabíjí ze zdroje napětí U1 po dobu T2 je tranzistor vypnutý a výstupní kondenzátor se nabíjí napětím indukovaným na cívce v důsledku „vypnutí“ spínacího tranzistoru zvlnění výstupního napětí (polovina rozdílu U2max-U2min) je relativně malé, několik desítek mV

Příklad katalogového zapojení snižujícího Step-Down měniče s IO TL 497A firmy Texas Instruments Corporated Napěťovým děličem s rezistory R1 a R2 se nastavuje hodnota výstupního napětí

Zvyšující DC měnič napětí Spínací prvek je za cívkou při sepnutí tranzistoru začne obvodem protékat proud IT, který na cívce vytváří magnetické vypnutím tranzistoru se energie magnetického pole cívky mění na indukované napětí Ui a proud ID, který dále nabíjí kondenzátor C2, dioda D zabraňuje, aby při sepnutém tranzistoru nedocházelo k vybíjení kondenzátoru C2 výstupní napětí U2 na kondenzátoru C2 je součtem vstupního napětí U1 a napětí indukovaného na cívce ui při vypnutém tranzistoru hodnota výstupního napětí U2 se reguluje poměrem doby sepnutí a rozepnutí tranzistoru, při trvalém zavření tranzistoru může dosáhnout hodnoty U1

Průběhy napětí na zvyšujícím DC měniči po dobu T1 je tranzistor sepnutý a cívkou protéká proud IT – elektrická energie se mění na magnetické pole po dobu T2 je tranzistor vypnutý, energie magnetického pole cívky se elektromagnetickou indukcí mění na elektrické napětí UL – výstupní kondenzátor C2 se nabíjí proudem iD vytvořeným napětím indukovaným na cívce zvlnění výstupního napětí UC – je relativně malé několik desítek mV

Příklad katalogového zapojení zvyšujícího Step-UP měniče s IO TL 497A firmy Texas Instruments Corporated Napěťovým děličem s rezistory R1 a R2 se nastavuje hodnota výstupního napětí

Invertující DC měnič napětí Spínací prvek je před cívkou, výstupní napětí se získává pouze z cívky při sepnutí tranzistoru začne obvodem protékat proud IT, který na cívce vytváří magnetické vypnutím tranzistoru se energie magnetického pole cívky mění na indukované napětí Ui a proud ID, který nabíjí kondenzátor C2, dioda D zabraňuje, aby při vypnutém tranzistoru nedocházelo k vybíjení kondenzátoru C2 přes cívku L kondenzátor C2 se nabíjí proudem ID vytvořeným na cívce indukovaným napětím ui při vypnutém tranzistoru hodnota výstupního napětí U2 se reguluje poměrem doby sepnutí a rozepnutí tranzistoru, výstupní napětí U2 může mít hodnotu vyšší i nižší než je vstupní U1

Příklad katalogového zapojení invertujícího měniče s IO TL 497A firmy Texas Instruments Corporated Napěťovým děličem s rezistory R1 a R2 se nastavuje hodnota výstupního napětí

Kontrolní otázky: Na jakém principu pracují měniče napětí bez transformátoru? Z jakých součástek se přímé měniče napětí skládají? Jakým způsobem se mění hodnota výstupního napětí měniče? Na jaké součástce se získává výstupní napětí? Jaká je funkce vstupního kondenzátoru? Jaké jsou požadavky na zpětnou diodu? Který měnič umožňuje získání napětí obou polarit? Při jakém poměru vstupního a výstupního napětí jsou přímé měniče nejúčinnější? Kdy je výhodnější použití měničů s transformátory?

Literatura a zdroje: http://www.tzb-info.cz http://www.elektronikacz.cz/ http://www.danyk.cz http://www.gme.cz Blahovec, A.: Elektrotechnika II. Praha, Informatorium 2000 Krejčík, A.: DC / DC Měniče, Praha, Ben 2002