Měniče bez transformátoru, s kapacitami, s cívkami Spínané zdroje I. Měniče bez transformátoru, s kapacitami, s cívkami

Rozdělení spínaných zdrojů A/ s kmitočtem sítě (historické) 1) bez transformátoru 2) s transformátorem regulace v primární části b) regulace v sekundární části B/ s kmitočtem vyšším 1) s přepínanými kapacitami 2) jednočinné s cívkami - zvyšující, snižující a invertující - vždy galvanicky spojen vstup a výstup 3) jednočinné s cívkami s odbočkou – autotransformátor, vždy galvanicky spojen vstup a výstup, více výstupních napětí 4) s transformátory - někdy galvanicky spojen vstup a výstup, častěji oddělen, větší výkon a) jednočinné – propustné a blokující (akumulační) b) dvojčinné – vždy propustné 5) integrované hybridní DC/DC - vždy galvanicky oddělen vstup a výstup, více výstupních napětí.

Spínané zdroje bez transformátoru s pracovním kmitočtem sítě Jednočinné stabilizátory pracují do nabíjecího (akumulačního) kondenzátoru a jsou vhodné pro vyšší výstupní napětí a malé proudy. Velikost usměrněného napětí na odporu RZ lze řídit okamžikem otevření tyristoru kladným impulsem v sestupné části sinusového průběhu. Dvojčinné stabilizátory pracují do cívky a jsou vhodné pro zdroje nižších výstupních napětí a velkých proudů. Při kladné půlperiodě teče proud ze zdroje přes tyristor Ty do zátěže RZ. V záporné půlperiodě proud z cívky L teče stejným směrem do RZ a vrací se přes diodu D.

Jednočinný spínaný stabilizátor pro větší napětí a malé proudy V kladné půlvlně síťového napětí vznikne na ZD obdélníkový průběh napětí o amplitudě UZD. Průtokem proudu přes diodu D, odpor R3 a zátěž RZ vznikne na R3 napětí UGK, které protlačí do Ty proud IG a ten sepne. Začne protékat proud přes R1, Ty do C a RZ a napětí UOUT roste až do hodnoty UOUTmin = UZD – UF – UGK. Potom klesá UGK a tyristor již nesepne. UOUT roste maximálně do hodnoty UOUTmax = √2 . UIN. Výstupní napětí má tedy velké zvlnění (UOUTmax – UOUTmin) a je nutno je dále filtrovat.

Dvojčinný tyristorový regulátor Obě půlperiody jsou spínány symetricky pro C1 = C2. Při kladné půlperiodě je kladný potenciál na vstupní svorce L proti (zde nezakreslené) zemi a protéká proud přes D3, R1, R2, R3 a nabíjí se jím kondenzátor C2. Jakmile napětí na C2 dosáhne hodnoty UD2 + UGK, proteče do tyristoru TY2 proud IG a ten sepne. Vypne až na konci kladné půlperiody síťového průběhu. Pro zápornou půlperiodu spíná stejným způsobem tyristor TY1.

Spínané zdroje s kmitočtem sítě, trans-formátorem a regulací v primární části Regulátor může kromě do odporové zátěže pra-covat i do primárního vinutí síťového trans-formátoru. Výstupní napětí je pouze regulované, nikoliv stabilizované, chybí zpětná vazba. tak je na výstupu dvoucestný usměrňovač Když je na vstupu dvojčinné řízení, Používá se pro výko-nové nenáročné apli-kace.

Spínané zdroje s kmitočtem sítě, trans-formátorem a regulací v sekundární části Typické zapojení pro elekronicky řízené svá-řečky, kdy k regulaci proudu dochází posouvá-ním řídících impulzů tyristorů v čase. Zapojení pro regulaci výkonu pomocí triaku a integrova-ného řídícího obvodu pro fázové řízení, může pracovat i přímo ze sítě bez transfor-mátoru.

Spínané zdroje s kapacitami (nábojové pumpy) Základní princip této metody umožňuje snadné násobení vstupního napětí dvěma, případně jeho inverzi. Metoda násobení napětí dvěma vychází z poměrně jednoduché představy nabíjení dvou kondenzátorů zapojených paralelně a jejich následném zapojení sériově. Metoda inverze pomocí spínacích tranzistorů otáčí nabitý kondenzátor tak, aby oproti společnému vodiči mělo výstupní napětí polaritu opačnou.

Princip vnitřního zapojení nábojové pumpy Princip vnitřního zapojení obvodu MAX681 Signál je přiváděn na spínače S1, S3, S6 a S8 a po negaci na spínače S2, S4, S5 a S7.

Násobení dvěma Při užití dvou vnějších kon-denzátorů a diody obvod dvojnásobí vstupní napětí, které může být v rozsahu + 1,5 [V] < UIN < + 5,5 [V]. Maximální výstupní napětí při vstupním napětí UIN = 5 [V] je UOUT = 9,35 [V]. Pokud je vývod FC (pin 1) nepřipojen, obvod pracuje se základním kmitočtem 10 [kHz], pokud je připojen na + U (pin 8), je fOSC = 45 [kHz]. Svorka LV (pin 6) musí být pro všechna vstupní napětí násobiče spojena se zemí (pin 5). Vstup řízení oscilátoru (pin 7) je připojený přes vnitřní kondenzátor 15 [pF]. Vnější kondenzátor připojujeme (mezi pin 7 a zem pin 3) pro zpomalení chodu vnitřního oscilátoru.

Inverze výstupního napětí proti zemi Záporná svorka vstupního napětí UIN (pin 3) je kladnou svorkou výstupního napětí UOUT. Svorku LV (pin 6) spojujeme se zemí (pin 3), pokud je vstupní napětí UIN < 3 [V], nad tímto vstupním napětím může být LV spojen se zemí (GND) nebo nepřipojen. Obě polarity napětí MAX681 má nabíjecí konden-zátory uvnitř a nepotřebuje ke své činnosti žádné doplňující součásti.

Jednočinné spínané zdroje s cívkami kladné +/+ záporné -/- invertující +/- invertující -/+ zvyšující ↑ snižující ↓ invertující s jedním pevným napětím regulovatelné nestabilizované s více výstupními napětími diskrétní integrované hybridní proudové posílení napěťové posílení ochranné obvody pojistky

Zvyšující jednočinný zdroj Během doby Ta (sepnutý spínač S) se výstupní kondenzátor vybíjí do zátěže a aby se nevybíjel i přes sepnutý spínač S, je oddělen diodou D, která je při sepnutém spínači S polarizována v závěr-ném směru a nevede. Ze zdroje stejnosměrného napětí UIN teče proud IIN přes cívku L a spínač S a energie se akumuluje v magnetickém poli cívky, proud IIN cívkou narůstá až do okamžiku, kdy spínač S rozpíná. V tomto okamžiku cívka chce udržet směr a velikost proudu IIN a vzniká na ní indukované napětí:  Uind = - L . dIIN / dt Toto napětí se sčítá ( v době Tb ) s napětím napájecího zdroje UIN a obě tato napětí v sérii prohánějí proud IOUT do kondenzátoru COUT a odporu RZ.

Zvyšující jednočinný zdroj step-up boost UL = U2 – U1 UL = U1 – U2 DILa = DILb DILb = (U2 - U1) . Tb / L DILa = U1 . Ta / L U1 . Ta / L = (U2 - U1) . Tb / L U1 . Ta = U2 . Tb – U1 . Tb U2 . Tb = U1 . Ta + U1 . Tb U2 . Tb = U1 . (Ta + Tb) U2 = U1 . (Ta + Tb) / Tb

přírůstek proudu cívkou napětí na cívce Vliv dob sepnutí (Ta) a rozepnutí (Tb) u tohoto zapojení není jednoznačný. S rostoucí dobou Ta sice roste velikost proudu IIN (a při dIIN / dt = konst. roste i velikost napětí Uind), ale současně klesá i napětí Uout dlouhým vybíjením kondenzátoru C. Naopak s rostoucí dobou Tb je sice kondenzátor C déle dobíjen, ale pouze v tom případě, že velikost UIN + Uind je větší než Uout + UF, kde UF je napětí na diodě v propustném směru, je-li vodivá. Tato podmínka nemusí být vždy splněna. Je tedy patrné, že tento obvod nemůže být navržen tak, aby výstupní napětí bylo nižší, než napětí vstupní. Matematický popis činnosti je dán pro dobu Ta (sepnut S) vztahem: UIN . Ta / L = DIIN přírůstek proudu cívkou napětí na cívce indukčnost cívky doba přiložení napětí na cívku a po dobu Tb: (UIN - UOUT) . Tb / L = - DIOUT

UOUT = 1,25 [V] . (1 + R1 / R2). Kondenzátor CC a odpor RC kompenzují fázovou charak-teristiku zpětnovazební smyčky tak, aby její přenos byl 180o, tj. aby zpětná vazba byla záporná a docházelo ke stabilizaci výstupního napětí a ne k rozkmitání zdroje. Průběh proudu CIN je stejný jako proud cívkou L1 bez stejnosměrné složky a CIN je důležitý pro vlastní funkci zdroje. Absorbuje změny proudu vznikající na vstupu zdroje. Bez vstupního kondezátoru mohou změny proudu při spínání IO společně s parazitní indukčností přívodů vést v konečném důsledku k chybné funkci zdroje. Průběh proudu COUT je stejný jako proud diodou bez stejnosměrné složky. Efektivní hodnota změn proudu COUT je rovna výstupnímu proudu, když je výstupní napětí dvojnásobkem vstupního. Tento proud roste, když se vstupní napětí snižuje.

Zdroj zvyšující záporné napětí S výhodou napájíme obvod z výstupního napětí, používají se zvláštní obvody pro záporná napětí, společná svorka pro vstup a výstup je kladná, všechny ostatní úvahy jsou shodné. - UOUT = - 2,21 [V] . (R1 / R2)

Snižující jednočinný spínaný zdroj Zdroj jen snižující kladné napětí (POSITIVE BUCK) 1) Při sepnutí spí-nače S teče proud z UIN přes S a cívku L do zátěže RZ. 2) Při rozepnutí spí-nače S teče proud z cívky L jako zdroje do zátěže RZ a vra-cí se přes D zpět. 3) Výstupní napětí tedy vždy je menší, než napětí vstupní.

UL = U1 – U2 UL = U2 - UF U2 = U1 . Ta / (Ta + Tb)

Spojitý a nespojitý režim spínaného zdroje Tvar tohoto průběhu proudu cívkou rozhoduje. spojitý režim nespojitý režim

Spínač S (tranzistor NPN) je mezi svorkami SW a GND Výstupní napětí je dáno vztahem UOUT = 2,21 [V] . (1 +R1 / R2),  kde 2,21 [V] je hodnota referenčního napětí a současně minimální hodnota UOUT. Vstup FBV (feedback voltage) je invertujícím vstupem vnitřního OZ a referenční napětí je připojeno na neinvertující vstup.

Invertující jednočinný spínaný zdroj Když spínač S sepne, je USW uzel připojen ke vstupnímu napětí UIN a proud IIN prochází přes spínač S do cívky L a zátěž je odpojena. Proud cívkou lineárně roste. Po rozepnutí spínače S proud cívkou L pokračuje stále ve stejném směru (dolů) do zátěže RZ a COUT a vrací se přes diodu D zpět do cívky. Na zátěži RZ se tedy oproti společnému vodiči objeví záporná polarita výstupního napětí UOUT.

Reálné zapojení invertujícího zdroje typu +/- (Positive to Negative Buck / Boost Converter) Obvod je napájen součtem vstupního a výstupního napětí!!! Hodnoty C1 a R3 nejsou kritické, pokud ve smyčce zpětné vazby není fázový posuv. Pro UIN < 10V je R5 = 0. Dioda D2 kompenzuje úbytek napětí na diodě D1 UOUT = - 1,24 . (47 + 10700 + 1240) / 1240 = - 11,987 V

Reálné zapojení invertujícího zdroje typu -/+ (Negative to Positive Buck / Boost Converter) Zpětnou vazbu je nutno vybavit inverzí = tranzistor. 1) Když vzroste výstupní napětí UOUT, pak proteče větší proud v obvodu R1 – přechod EB tranzis-toru T a tranzistor se více otevře. 2) Průtokem většího proudu IC tranzistoru T roste úbytek na odporu R2 a tedy i potenciál vstupu FBV do kladných hodnot. 3) Integrovaný obvod vyhodnotí vyšší napětí mezi FBV a GND jako vyšší zpětnovazební napětí, snižuje střídu spínání PWM a výstupní napětí klesá.

Obousměrný synchronní měnič Obousměrný měnič se používá v aplikacích, kde je potřeba přenášet výkon oběma směry. Napětí U1 je vždy větší než U2. Obousměrný měnič je možné si představit jako měniče A) a B) položené na sebe (provozu se účastní antiparalelní diody). Pokud se výkon přenáší ve směru U1 - U2, napětí se snižuje, pokud ve směru U2 - U1, zvyšuje se. Tento měnič si lze představit jako jakýsi obousměrný napěťový "schod". Tranzistory jsou otvírány střídavě. Obousměrný měnič se používá například k plynulé pulzní regulaci motorů s možností brždění rekuperací (motor je na straně U2). Další využití je např. v záložních zdrojích, kde je potřeba pulzně regulovat nabíjecí proud baterie v běžném provozu i stabilizovat výstupní napětí v nouzovém provozu. T1 vyžaduje plovoucí buzení. Když se zvyšuje střída T2 a snižuje střída T1, měnící poměr se zvyšuje, v opačném případě se snižuje. V krajním případě je trvale otevřen T1 a napětí jsou téměř stejná. Pokud se výkon přenáší ve směru U2 - U1, tranzistor T2 nesmí být nikdy trvale otevřen. Pokud budou v tomto typu měniče použity bipolární tranzistory nebo IGBT bez zabudovaných diod, musí se použít vnější antiparalelní diody (rychlé nebo schottky v závislosti na velikosti napětí). K ovládání mosfetů nebo IGBT v tomto měniči se hodí obvody IR2101, IR2102, IR2103 a IR2104. Tyto obvody však nezajišťují řídící funkci, ale jen buzení mosfetů (T1 plovoucí).

Tento typ měniče má ještě jedno zvláštní využití, a to i v případě, že se výkon přenáší jen jedním směrem. Při provozu s malými napětími a velkými proudy může být užitečné synchronní usměrňování - tedy provoz, při kterém se MOSFET spíná ve směru S-D, aby snížil úbytek antiparalelní diody (podobně jako běžný synchronní usměrňovač). Synchronní měnič může pracovat v jednosměrném režimu (nahrazovat měnič typu A nebo B) i v obousměrném režimu. V případě jednosměrného režimu je jeden z MOSFET využit pouze jako synchronní dioda a nikdy nevede v proud ve směru D-S. Synchronní měnič se používá jen ve spojení s MOSFETy.