Cuk, Sepic, Zeta

CUK – invertující zvyšující/snižující měnič (výstupní napětí může být vyšší nebo nižší než konstantní napětí vstupní) (Chorvat) Dr. Slobodan Cúuk (anglicky vyslov jako chook), pracující v California Technology si toto zapojení se dvěma cívkami patentoval v USA v roce 1987. Variant těchto zapojení se dvěma cívkami jak samostatnými, tak ve formě transformátoru je dnes celá řada.

* Kondenzátor C5 se nabíjí na součet napětí UIN + UIND – UFD1. 1) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je sepnut: * Proud ze zdroje UIN protéká přes cívku L1 a sepnutý interní tranzistor. * Napětí na cívce L1 je šipkou k tečce, cívka L1 je tedy nyní spotřebič. * V cívce L2 se indukuje napětí také šipkou k tečce a prohání proud přes diodu D1 a zátěž, na které je tedy plus pól napětí UOUT na zemi. 2) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je rozepnut: * Na cívce L1 se indukuje napětí UIND šipkou od tečky, cívka L1 je zdrojem. * Indukované napětí na cívce L1 se sčítá s napětím UIN – zvyšující zdroj. * Kondenzátor C5 se nabíjí na součet napětí UIN + UIND – UFD1. * Proud z cívky L2 teče přes diodu D1 do zátěže. 3) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je opět sepnut: * Kondenzátor C5 se vybíjí přes interní sepnutý tranzistor do zátěže a proud protéká přes cívku L2, která je spotřebičem a šipka napětí je k tečce. * Polarita napětí na zátěži je tedy záporná. * Vstup NFB = Negative Feed Back = záporný vstup zpětné vazby, FB = vstup pro kladnou polaritu zpětnovazebního napětí vzhledem k zemi.

Měnič typu SEPIC – zvyšující/snižující (vstupní napětí může být větší i menší, než konstantní napětí výstupní) (Single Ended Primary Inductor Converter) Např. zde vstupní napětí je v rozmezí od 4 V do 9 V a výstupní napětí je 5 V. Zapojení má opět dvě cívky (varianta obvodu CUK), které mohou být samostatné, nebo tvořit transformátor (začátky vinutí označeny tečkami).

* Přes kondenzátor C3 teče nabíjecí proud do zátěže přes diodu D1. 1) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je sepnut: * Proud ze zdroje UIN protéká přes cívku L1 a sepnutý interní tranzistor. * Napětí na cívce L1 je šipkou (černá šipka) k tečce, cívka L1 je tedy nyní spotřebič. * V cívce L2 se indukuje napětí také šipkou (černá šipka) k tečce a dioda D1 brání průchodu proudu přes zátěž, ale nabíjí přes sepnutý tranzistor kondenzátor C3. 2) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je rozepnut: * Na cívce L1 se indukuje napětí UIND šipkou (bílá šipka) od tečky, cívka L1 je zdrojem a její indukované napětí se sčítá s napětím UIN – zvyšující zdroj. * Přes kondenzátor C3 teče nabíjecí proud do zátěže přes diodu D1. * Cívka L2 je zdrojem a napětí na ní má polaritu šipkou (bílá šipka) k zemi. 3) Vnitřní tranzistor v IO mezi SW a GND je opět sepnut: * Kondenzátor C3 se vybíjí přes interní sepnutý tranzistor do cívky L2, která je zdrojem a šipka napětí (černá) je k tečce. * Dioda D1 brání vybíjení kondenzátoru C3 do zátěže. * Zde je použit pin FB = vstup pro kladnou polaritu zpětnovazebního napětí vzhledem k zemi, výstupní napětí je tedy kladné.

Předpokládejme rozpojený spínač po dostatečně dlouhou dobu, pak je kondenzátor C1 nabit na napětí zdroje, proud cívkami neteče. Spínač sepne, teče jím tedy součet proudů IL1 + IL2. Cívka L1 se chová jako spotřebič, proud IL1 narůstá. Cívka L2 se rovněž chová jako spotřebič, průběh proudu IL2 z kondenzátoru C1 jí protékající je totožný s proudem IL1, neboť obě cívky jsou připojeny na zdroje o stejné hodnotě napětí, samozřejmě pokud jsou obě cívky identické. Kondenzátor C1 se v této fázi vybíjí.

Spínač rozepne, na cívce L1 se indukuje napětí UL1, jehož polarita je naznačena na obrázku. Na cívce L2 se indukuje napětí UL2, které je rovno napětí UL1. Pro obvod platí rovnice: Je-li součet napětí UR a UDF menší než napětí UL2, diodou D teče suma proudů IL1 a IL2, kondenzátor C1 se nabíjí. Střední hodnota proudu tekoucí kondenzátorem C1 je nulová.

Bakalářská práce Martina Jelínka, vedoucí práce Ing.Lubor Jirásek,CSc

Vlastnosti zapojení SEPIC Výhodou zapojení SEPIC je shodná polarita výstupního napětí se vstupním napětím i při paralelní cívce a galvanické oddělení vstupu a výstupu kondenzátorem C3 a zcela nulové výstupní napětí při rozepnutí interního tranzistoru mezi SW a GND Výhodou pro bateriové napájení je to, že vstupní napětí původně vyšší než výstupní napětí může při vybíjení článku poklesnout pod napětí výstupní. Zvyšující a snižující schopnost zapojení SEPIC jsou dané kondenzátorem C3 a cívkou L2. Cívka L1 a interní tranzistor v IO vytváří standardní zvyšující měnič, který vytváří napětí UIN + UL1, které je vyšší než UIN a jehož velikost je dána střídou spínání internho tranzistoru v IO.

Úbytek napětí na diodě D1 a její vypínací doba jsou velmi kritické Úbytek napětí na diodě D1 a její vypínací doba jsou velmi kritické. Spínací a vypínací doby diody musí být velmi krátké, aby se nemohly vytvářet překmity vysokého napětí, které by mohly způsobit poškození součástek. Obvykle se užívají Schottkyho diody nebo rychlé diody křemíkové. Stejnosměrný odpor cívky a ESR kondenzátorů mohou mít velký vliv na účinnost zdroje a velikost výstupního zvlnění. Snížení odporu v cívky umožňuje nižší spotřebu energie ve formě tepla, což má za následek , že se zlepší účinnost. Low-ESR kondenzátory by měly být použity vždy jako C1 a C2, aby se minimalizovalo zvlnění a tepelné ztráty. Pokud je napětí UIN + UL1 nižší než je dvojnásobek napětí UIN, pak výstupní napětí bude nižší, než je vstupní napětí. Pokud je napětí UIN + UL1 větší než dvojnásobek UIN, pak výstupní napětí bude větší, než je vstupní napětí.

SPOJITÝ REŽIM ČINNOSTI ZDROJE SEPIC Ve spojitém režimu činnosti neklesá proud cívkou nikdy na nulu. V ustáleném provozu platí UIN = UC3. Protože kondenzátor C3 brání průtoku stejnosměrného proudu, je střední hodnota proudu tímto kondenzátorem nulová. A protože je střední hodnota proudu kondenzátorem C3 nulová, je jediným zdrojem energie do výstupu proud cívkou IL2. Z toho vyplývá, že střední hodnota proudu touto cívkou je rovna stejnosměrné hodnotě proudu výstupního a je nezávislá na hodnotě vstupního napětí. Pro střední hodnotu vstupního napětí pak můžeme psát: UIN = UL1 + UC3 + UL2 a vzhledem k tomu, že napětí UC3 se rovná přibližně UIN, platí i UL1 = -UL2. Z tohoto důvodu se obě cívky mohou navinout na stejné jádro. Vzhledem k tomu, že tato napětí jsou stejně velká, jejich vliv na vzájemnou indukčnost bude nulový za předpokladu, že jejich polarita vinutí je správná. Protože napětí jsou stejně velká, je i zvlnění proudu obou dvou cívek také stejné.

ID1 = IL1 − IL2 Proudy lze sčítat vztahem: Když je interní tranzistor v IO sepnutý, roste proud IL1 cívkou L1 a současně proud IL2 cívkou L2 klesá (stává se více negativní). Energie, zvýšující hodnotu IL1 pochází ze vstupního zdroje UIN. Když je interní tranzistor v IO i nadále sepnut, napětí UC3 je přibližně rovno UIN a platí přibližně UC3 = UL2 - UCES. Z toho vyplývá, že kondenzátor C3 snižuje svým nabíjením aktuální hodnotu proudu IL2. Když interní tranzistor v IO rozepne, je proud IL1 stejný jako proud kondenzátorem IC1. Také proud IL2 cívkou L2 bude pokračovat ve stejném směru. Na základě Kirchhoffova zákona platí, že ID1 = IC3 - IL2. Když je interní tranzistor v IO rozepnutý, výkon do zátěže dodávají cívky L2 a L1. Kondenzátor C3 je dobíjen z L1 během doby rozepnutí a bude zase napájet cívku L2 během doby sepnutí.

Jiné zapojení zdroje typu SEPIC Spínač S je sepnut – proud z UIN a C1 teče přes L1 (plus napětí vlevo) a spínač S. Spínač S rozepne – na L1 se indukuje opačné napětí (plus vpravo) a sčítá se s UIN. Proud z UIN a L1 nabíjí C3 a teče přes L2 (plus nahoře), současně přes D1 nabíjí C5 a přes D2 nabíjí C4. Protéká i proud z D1 přes filtr L3 + C2 do zátěže. Opět spíná spínač S – otáčí se polarita napětí na L2 (plus dole) a z L2, C3 a C5 teče proud přes L3 do zátěže a vrací se přes C4.

Měnič typu ZETA– snižující/zvyšující (vstupní napětí může být větší i menší, než konstantní napětí výstupní) Spínací tranzistor je zapojen mezi napájení UIN (kolektor tranzistoru NPN) a svorku SW (emitor tranzistoru NPN). Obvod LTC1174-5 má zabudovaný ve vstupu FB vnitřní výstupní dělič pro kladné výstupní napětí 5 V. S tímto obvodem lze tedy konstruovat zdroje s výstupním napětím 5 V nebo vyšším.

1) Vnitřní tranzistor v IO mezi U1 a SW je sepnut: * Proud ze zdroje UIN protéká přes sepnutý interní tranzistor NPN a cívku L2. * Napětí na cívce L2 je dáno šipkou (černá šipka), cívka L2 je tedy nyní spotřebič. 2) Vnitřní tranzistor v IO mezi U1 a SW je rozepnut: * Na cívce L2 se indukuje napětí UIND opačné polarity (bílá šipka), cívka L2 je zdrojem a přes diodu D1 nabíjí kondenzátor C3 v naznačené polaritě. 3) Vnitřní tranzistor v IO mezi U1 a SW je opět sepnut: * Napětí UIN je v sérii s napětím na kondenzátoru C3 a proud protéká přes cívku L1, která je spotřebičem (černá šipka) do zátěže. 4) Vnitřní tranzistor v IO mezi U1 a SW je opět rozepnut: * Na cívce L1 se indukuje napětí UIND opačné polarity (bílá šipka), cívka L1 je zdrojem a přes zátěž a zpět přes diodu D1 prohání proud.

Náhradní schema zapojení měniče ZETA Z hlediska vstupu je Zeta měnič typu Buck-Boost – Buck konvertor a s ohledem na výstup může být vnímán jako Boost-Buck-Boost. Zeta konvertor lze také chápat jako svojitý konvertor SEPIC. Náhradní schema zapojení měniče ZETA