Koncepce napájecích zdrojů Druhy zdrojů, stabilizace, regulace, charakteristiky

Síťové zdroje typu AC/AC (transformátory, frekvenční měniče pro silnoproudé pohony) Síťové zdroje typu AC/DC (běžné zdroje stejnosměrných napětí pro napájení elektronických zařízení) Měniče typu DC/DC (integrované, obvykle hybridní měniče stejnosměrných napětí s galvanickým oddělením) Měniče typu DC/AC (obvykle zdroje střídavého napětí 230V, napájené ze stejnosměrného napětí 12V, označované jako invertory) Elektrochemické zdroje (primární zdroje, galvanické články a akumulátory) Solární zdroje (od fotodiody až po solární baterie) Palivové články

Zatěžovací stejnosměrné výstupní charakteristiky

Zatěžovací pulzní výstupní charakteristiky překmit „podkmit“

Napěťové převodní charakteristiky

Hodnota diferenciálního výstupního odporu zdrojů napětí Rout > 0 ……všechny elektrochemické zdroje, většina elektronických zdrojů Rout < 0 …… jen elektronické zdroje a jen v omezené části zatěžovací charakteristiky (nebezpečí rozkmitání) Rout = 0 ……ideální zdroje napětí, elektronické zdroje jen v omezené části zatěžovací charakteristiky Stejnosměrný výstupní odpor zdrojů napětí je vždy kladný !

Činitel zvlnění uoutp-p = výstupní stří-davá složka napětí špička-špička Uo = stejno-směrná slož-ka výstupního napětí Činitel zvlnění se pohybuje v intervalu od 0 do 200 %, tj. střídavá složka může být až dvojnásobná než složka stejnosměrná.

Rozdělení síťových napájecích zdrojů typu AC/DC Lineární zdroje transformátor usměrňovač filtr stabilizátor zátěž Spínané zdroje usměrňovač spínač transformátor filtr zátěž

Rozdělení zdrojů typu DC/DC Stejnosměrné vstupní napětí lze jen pasivně dělit (odporové a kapacitní děliče), nebo dělit a násobit integrovanými obvody se spínanými (lépe přepínanými) kapacitami. Násobení stejnosměrného napětí je možné pouze po převodu na napětí střídavé, patří sem: spínané zvyšující, snižující a invertující zdroje s cívkami (vždy galvanicky spojen vstup a výstup, vždy jednočinné) spínané zdroje cívkami s odbočkou (autotransformátor) (vždy galvanicky spojen vstup a výstup, více výstupních napětí) spínané zdroje s transformátory (někdy galvanicky spojen vstup a výstup, častěji oddělen, větší výkon) integrované (hybridní) DC/DC zdroje (součástka) (vždy galvanicky oddělen vstup a výstup, více výstupních napětí)

Rozdělení zdrojů typu DC/AC Výkonové řízené generátory tvarových průběhů proměnných vyšších kmitočtů (pulzy, pila, trojúhelník apod.) Nejčastěji zdroje typu =12V/~230V(50Hz): (V anglosasské literatuře označované jako invertory.) výstupní napětí obdélníkové (na principu multivibrátoru), výstupní napětí lichoběžníkové (obvody s operační sítí), výstupní napětí sinusové (na principu PFC).

Zdroje proudu Ideální zdroj proudu: a) Iout = konst @ RZ = 0 ÷ ∞ b) Rout = ∞ c) Uout = 0 ÷ ∞ Reálný zdroj proudu:

Zapojení zdrojů proudu parametrické – historicky např. variátor = žhavený Fe drát ve vakuu, s rostoucím napětím rostla teplota drátu a ten zvyšoval svůj odpor a tak i když rostlo napětí, nerostl (stabilizo-val se) proud b) dnes nejčastěji s třísvorkovým stabilizátorem napětí

Po připojení vstupního napětí a výstupní zátěže začne T1 protékat proud. Protékající proud vytváří úbytek napětí na R2. Při malých proudech je úbytek malý a nemůže otevřít tranzistor T3. Ale když proud stoupne, T3 se začne otevírat a odvádět část proudu do báze T1. Tím se T1 přivírá a výstupní proud poklesne. Nakonec se proud ustálí na určité hodnotě dané hodnotou velikosti R2. Celé zapojení pracuje jako stabilizátor proudu.

Pro proud I tranzistoru platí I1 = IZD + IB , kde I1 je proud odebíraný z pomocného zdroje U1 a jeho velikost je nastavena velikostí odporu RB, IZD je proud Zenerovou diodou a IB proud, vtékající do báze tranzistoru T. Předpokladem správné činnosti tohoto zapojení zdroje konstantního proudu je vhodný tvar vstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru. Toto zapojení má několik chyb, způso-bujících nekonstantnost proudu: a) kolísání napětí UZD vlivem: - kolísání napětí U1, - teplotní závislosti Zenerova napětí, - změny pracovního bodu ZD následkem změny pracovního bodu tranzistoru, b) kolísání napětí UBE vlivem: pohybu pracovního bodu P po vstupní charakteristice, teplotní závislosti této vstupní charakteristiky, c) změna proudu IC vlivem pohybu pracovního bodu ve výstupních charakteristikách tranzistoru, které nejsou zcela rovnoběžné s osou UCE

Zdroj proudu s integrovanými tranzistory (proudové zrcadlo) Budou-li tranzistory T1 a T2 zcela shod-né, pak lze předpokládat i shodnost jejich vstupních charakteristik. Nastavíme-li tedy vhodnou volbou odporu RB při daném napětí U1 proud přechodem báze-emitor IB1, pak se na tomto přechodu nastaví napětí UBE1 a není žádný důvod, proč by napětí UBE2 mělo mít velikost jinou. Při předpokládané shodnosti obou tranzistorů pak proud tranzistorem T2 bude přesně stejně velký jako proud IB1. Protože proud I = IC2 je proudem kolekto-rovým a tranzistor T2 pracuje v  zesilovacím reži-mu, pak proud, vtékající do báze tranzistoru T2 z odporu RB je menší: IB2 = IC2 / h21E2 . Použijeme-li tranzistory s dostatečně vysokým proudovým zesílením h21E , pak ani velikost tohoto proudu neovlivní nastavování proudu IB1 tranzistoru T1. Proud I je tedy nastaven tak přesně jako proud IB1, jak je vysoká hodnota proudového zesilovacího činitele (100x i více). Zdroj proudu s integrovanými tranzistory (proudové zrcadlo)

Základní zapojení zdroje proudu s operačním zesilovačem Pokud předpokládáme pro zjednodušení, že operační zesilovač OZ je ideální, pak napětí U1 se musí rovnat napětí na odporu R. Rozdílové napětí mezi vstupy považujme za přibližně nulové, stejně jako vstupní odpor obou vstupů OZ za nekonečný. Potom jediný proud, který může na odporu R vyvolat úbytek napětí UR = U1 je proud přitékající z výstupu OZ (vývod 6) přes odpor RZ a na velikosti tohoto zatěžovacího odporu nemůže tento úbytek záviset. Prouové posílení externím tranzistorem.

Zdroje proudu s unipolárními součástkami Vhodné jsou tedy typy JFET a MOSFET s ochuzovaným (zabudova-ným) kanálem. Typ MOSFET s oboha-covaným (indukovaným) kanálem se využít přímo nedá, protože při UGS = 0 tento tranzistor nevede a tedy jím neteče proud. Napětí na tranzistoru UDS musí při použití tranzistoru s charakteristi-kami podle obrázku být dostatečně velké, aby tranzistor pracoval vpravo za kolenem charakteristiky UGS = 0, kde platí přibližně ID = konst.

Lineární stabilizátory napětí (se spojitou regulací) parametrické (paralelní) s diodou (i LED) v propustném směru se Zenerovou diodou v závěrném směru s tranzistorem s integrovaným obvodem (TL431) zpětnovazební (sériové) s operačním zesilovačem a tranzistorem integrované (sériové) třísvorkové vícesvorkové, výkonové, hybridní…

Spínané stabilizátory (s nespojitou regulací) Typu DC/DC zvyšující, snižující, invertující, CUK (zvyšující i snižující) nábojové pumpy, zdroje s cívkami, zdroje s transformátory zdroje v propustném a blokujícím (akumulačním) zapojení s diskrétními součástkami a integrovanými obvody s kmitočtem sítě (historické), s kmitočty okolo 100 kHz Typu AC/DC síťové spínané zdroje jednočinné (např. TopSwitch) aktivní harmonické filtry (PFC) síťové spínané zdroje dvojčinné polomost (např. zdroje PC) plný most (výkonné zdroje nad 500 W) DC/AC měniče, obvykle ze =12 V na ~230 V

Druhy spínaných regulací U signálu diskrétních regulací lze měnit několik parametrů a tyto regulace se rozdělují i podle toho, jestli je spojitý nebo diskrétní zpětnovazební signál. pulzně amplitudová regulace. Při přenosu PAM je analogový zpětnovazební signál měněn na impulsy stejné šířky, ale s amplitudou úměrnou amplitudě zpětnovazebního signálu. Ve spínanách zdrojích se užívá málo. pulzně šířková regulace. Pulse Width Modulation PWM je diskrétní regulace pro přenos analogového zpětnovazebního signálu na dvouhodnotový výstupní signál. Amplituda signálu je převedena na střídu. Vzhledem ke svým vlastnostem je často využívána. pulzně vypínaná regulace. Analogový zpětnovazební signál je nejprve komparátorem převeden na dvouhodnotový diskrétní signál a tím jsou vypínány výstupní řídící impulzy se střídou blízkou 1:1 do výkonové části zdroje. Výhodou je široký rozsah regulace.

Síťové lineární zdroje transformátory, usměrňovače, násobiče a filtry

Schema zapojení lineárního zdroje (transformátor – usměrňovač – filtr)

Usměrňovače Jednocestný usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (vysoké Uo, malé Io, velké zvlnění) Variantami jsou: prostý jednocestný usměrňovač, jednocestný usměrňovač s nárazovou tlumivkou, jednocestný usměrňovač s protinapětím.

Dvoucestný usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (nízké U, velké I, malé zvlnění), CN = 300 . I / ( p . Uo ) [µF; mA, %, V] Nevýhoda: potřeba dvou symetrických sekundárních vinutí transformátoru, Výhoda: transformátor není buzen stejnosměrnou složkou proudu, zvlnění výstupního napětí má dvojnásobnou frekvenci sítě, poloviční amplituda zvlnění při stejném CN.

Můstkový usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (střední U, velké I, malé zvlnění) usměrňovač jsou pouze diody D1 – D4, kondenzátor CN je nabíjecí (akumulační, vyhlazovací, vyrovnávací, ale ne filtrační) Můstkový usměrňovač s nárazovou tlumivkou (ztrátové parametry cívky jsou menší než kondenzátoru) cívka LN je „nárazová“ z hlediska připojení k usměrňovači, ale současně i filtrační, tvoří s kondenzátorem CF také LC filtr

Volba diod v usměrňovači volba propustného proudu – dioda se volí na tepelnou zátěž, tj. na největší hodnotu stejnosměrného výstupního proudu (u dvoucestného a můstkového na polovinu této hodnoty), IF = Iout volba závěrného napětí – volíme na dvojnásobek špičkové hodnoty usměrňovaného napětí, UR = 2 . √2 . Uin (ve skutečnosti složitější) volba vypínací doby τrr – podle kmitočtu usměrňovaného napětí by hodnota τrr měla být menší než 10 % z T/2, volba pulzního proudu Ip – dnešní diody jsou až 100 x přetížitelné pulzně bez poškození, Ip ~ 100 . IF volba pouzdra – diody jednoduché, dvojité (obvykle spojené katody), čtyřnásobné (obvykle zapojeny do můstku), s chladicím křidélkem, volba typu diody – Si (PN), Schottky, synchronní usměrňovač s FET

Filtry napájecích zdrojů

Pasivní filtry napájecích zdrojů  = 2.L.C = (2..f)2.L.C  = .R.C = 2..f.R.C  = (R+XC+ESR) / (XC+ESR)  = (ZL+ ZC) / ZC

Kvalita kondenzátoru ve filtru Má-li filtr být účinný, musí platit pro kondenzátor podmínka: ESR << XC = 1/ (ω.C) běžný Al elektrolyt ESR ~ 3 Ω tantal elektrolyt ESR ~ 0,3 Ω nízkoztrátové elektrolytické kondenzátory ESR ~ 0,03 Ω

Aktivní filtry napájecích zdrojů (násobiče kapacity) Hodnota kapacity kondenzátoru CF je násobena velikostí proudového zesilovacího činitele h21e tranzistoru T (i Darlingtonovo zapojení), tj. jako by na výstupních svorkách byl zapojen kondenzátor o kapacitě CF . h21e. Úbytek napětí na tranzistoru UCE musí být větší než napětí UCES, aby tranzistor pracoval jako zesilovač ve třídě A. Dalšího zvýšení činitele filtrace dosáhneme kaskádním filtrem, kdy: φcelkové = φ1 . φ 2 = = ω . RB1 . CF1 . ω . RB2 . CF2

Výpočet aktivního filtru 1) Pro vyšší účinnost volíme UCE > UCES , tedy UCE = (2 ÷ 3) V. 2) Potom vypočteme RB = (U1 – UBE – U2) . h21E / Iout . 3) Má-li filtr φ = u1 / u2 krát snižovat obsah střídavé složky, pak: 4) CF = φ / (ω . RB . h21e) = φ / ( 2 . π . f . RB . h21e) , kde f je kmitočet filtrované střídavé složky, φ je požadovaný činitel filtrace a h21e je proudový zesilovací činitel tranzistoru