Měniče napětí a spínané zdroje - teoretická základna

Měniče slouží k přeměně stejnosměrného napětí na jinou hodnotu, případně ke změně jeho polarity. Můžeme je použít v kombinaci s klasickým stabilizátorem k vytvoření napájecího zdroje. Rovněž je využíváme v zařízeních, která jsou napájeny z baterií, u kterých je důležitá maximální účinnost. Z jednoho zdroje v nich často potřebujeme vytvořit různá napětí.

V těchto obvodech používáme integrované obvody, které řídí spínací výkonové prvky S (tranzistory MOS). Tyto obvody obsahují zdroj referenčního napětí, zesilovač odchylky a další pomocné obvody. Činnost těchto obvodu se odehrává na kmitočtech vyšších než 20 kHz (aby nebylo slyšet pískání). Obvyklý provozní kmitočet je 100 až 200 kHz. Potřebujeme zde rychlé Schottkyho diody, kvalitní filtrační kondenzátory (malý sériový odpor) a feritové tlumivky.

Pro pochopení jejich funkce si zopakujeme vlastnosti cívek a kondenzátorů, což jsou součástky schopné akumulovat elektrickou energii. Napětí na kondenzátoru a proud tekoucí cívkou mají vždy spojitý průběh. Po přerušení proudu v obvodu s indukčností na ní vzniká napětí opačné polarity. Proud tekoucí cívkou nemůže náhle zaniknout.

Snižující měnič (obr. 6a)

Při sepnutí spínače se nabíjí kondenzátor a roste proud tekoucí cívkou. Až napětí dosáhne potřebné výstupní úrovně, spínač se rozepne. Proud tekoucí cívkou se začne uzavírat přes rekuperační diodu. Proud cívkou klesá, kondenzátor se vybíjí do zátěže. Až výstupní napětí klesne, řídící logika opět sepne spínač a celý cyklus se opakuje. Oproti výše popsanému stabilizátoru má tento obvod výrazně menší ztráty. Na spínacím prvku jsou vždy mnohem menší ztráty než na proměnném odporu.

Zjednodušeně řečeno, princip řídícího obvodu je podobný zapojení z obr. 4d, pouze místo zesilovače je zde komparátor, který výkonový prvek zapíná a vypíná. Doba, kdy je spínač sepnut, je tím větší, čím větší je odběr zátěže. Tento způsob regulace se nazývá pulsní šířková modulace (PWM).

Zvyšující měnič (obr. 6b)

Nejprve se kondenzátor při rozepnutém spínači nabije na napětí U₁. Při sepnutí spínače roste proud tekoucí cívkou. Po určité době, aby se cívka nepřesytila, se spínač rozepne. Na cívce se indukuje napětí, které se přičítá ke vstupnímu napětí U₁. Proud tekoucí cívkou potom musí téct přes diodu, nabíjí kondenzátor a teče do zátěže. Proud cívkou postupně klesá, kondenzátor se vybíjí do zátěže. Až napětí klesne pod předem nastavenou hodnotu, řídící logika opět zapne spínač a celý cyklus se opakuje.

Invertující měnič (obr. 6c)

Při sepnutí spínače roste proud tekoucí cívkou. Potom se spínač rozepne. Na cívce se indukuje napětí opačné polarity. Proud tekoucí cívkou se začne uzavírat přes rekuperační diodu. Kondenzátor se nabije záporným napětím. Účinnost tohoto měniče je maximálně 60 %.

Obrázek č. 6

Obrázek č.6
a/ snižující měnič
b/ zvyšující měnič
c/ invertující měnič
d/ zdvojovač napětí
e/ zdroj záporného napětí

Zdvojovač napětí (obr. 6d)

Pro malý odběr proudu (do 20 mA) lze použít zdvojovač napětí bez cívek. Kondenzátor C₁ se uzemní a přes diodu D₁ se nabije na napětí U. Přepnutím spínače do horní polohy se jeho napětí zdvojnásobí. Přes diodu D₂ se nabije kondenzátor C₂. Jako spínací obvod často používáme astabilní multivibrátor s obvodem NE 555.

Přepínáním spínače vzniká na kondenzátoru C₁ záporné napětí, kterým se nabíjí kondenzátor C₂. Výstupní napětí všech výše uvedených obvodů je mírně zvlněné. Pro náročnější aplikace jej musím filtrovat pomocí LC filtrů. Vzhledem k vysokému kmitočtu spínání jsou indukčnost, kapacita i rozměry těchto filtrů velmi malé.

Spínané zdroje

Rozměry a hmotnost transformátoru jsou tím menší, čím větší je pracovní kmitočet. Zvýší -li se např. z 50 Hz tisíckrát, rozměry transformátoru je možné zmenšit třicetkrát. Síťové napětí proto nejdříve usměrníme můstkovým usměrňovačem, filtrujeme kondenzátorem a poté pomocí spínacího obvodu převedeme na kmitočet 100 až 200 kHz. Malým transformátorem s feritovým jádrem jej transformujeme, rychlými Schottkyho diodami jej usměrníme a kvalitním kondenzátorem nebo LC filtrem vyhladíme.

U těchto zdrojů se obejdeme bez výše popsaného stabilizátoru napětí. Velikost výstupního napětí můžeme řídit střídou impulsů, které spínají spínač.

Výše uvedený vztah mezi napětími a počty závitů primárního a sekundárního vinutí transformátoru platí v trochu upravené podobě:

U₂/U₁ = (N₂/N₁) . (t_a/t_b),

kde t_a je doba, kdy spínací prvek je sepnut a t_b doba, kdy spínací prvek je rozepnut (viz obr. 7b).

Je-li výstupní napětí příliš malé, řídící obvod prodlouží dobu t_a. Při větším napětí na výstupu ji naopak zkrátí. Tento způsob řízení výstupního napětí je beze ztrát tepla. Stabilizátor pracuje s velkým rozsahem vstupních napětí, nevadí mu přepětí ani podpětí v síti.

Obvod řízení zajišťuje galvanické oddělení výstupního napětí od sítě. Musí obsahovat buď pomocný transformátor nebo optický vazební člen. Dále obsahuje ochranu proti zkratu na výstupu. V takovém případě se spínání zastaví. Takový zdroj obvykle píská v akustickém pásmu, obvod se stále pokouší nastartovat. Další obvody zajišťují pomalý náběh při zapnutí.

Ve spínaných zdrojích je velké množství železa (trafoplechy), mědi (vinutí trafa) a hliníku (chladič) nahrazeno moderními integrovanými obvody. Pro jejich vysokou účinnost a malé rozměry již téměř ve všech aplikacích nahradily klasické zdroje. Dokladem toho jsou třeba nabíječky k mobilním telefonům, na kterých tento trend názorně vidíme.

Jejich výrobní cena je při velkých sériích příznivá, jejich vývoj je ale náročný, nelze je doporučit pro amatérské konstrukce. Zatímco postavit klasický zdroj zvládne i začátečník.

Pokud potřebujeme takový zdroj opravit, doporučuji nejprve zkontrolovat jeho síťovou část. 90 % závad tvoří přepálená síťová pojistka, zničený usměrňovač, spínací tranzistor nebo termistor. Ten zachytává proudovou špičku při zapnutí, kdy se filtrační kondenzátor nabíjí (odpor termistoru je velký za studena, při jeho zahřátí se zmenší a termistor se již v obvodu neuplatní).

Pokud není závada zde, doporučuji zdroj vyměnit za nový nebo jej nechat odborně opravit. Pokus o nalezení závady v sekundární části obvodu je časově velmi náročný.

Rychlé spínání na vysokých kmitočtech by mohlo být zdrojem rušení. Každý spínaný zdroj musí být proto dobře odrušen. V jeho síťovém přívodu je zapojen LC filtr, proti vyzařování jej umísťujeme do plechové krabičky.

Obrázek. č. 7 - a/ Zapojení spínaného zdroje; b/ Průběh signálu, který řídí spínací prvek