Embed Size (px)
Citation preview
Návrh napájacieho zdroja vysiela a
DIPLOMOVÁ PRÁCA
MILAN KARDO
ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
tudijný odbor: RÁDIOKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec PhD.
Stupe kvalifikácie: in inier (Ing.)
Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. máj. 2006
ILINA 2006
AbstraktTáto diplomová práca sa zaoberá návrhom sie ového spínaného napájacieho
zdroja, ktorý je ur ený pre vysokofrekven ný zosil ova .
V prvej kapitole sa zaoberám problematikou napájania vf zosil ova ov, ale
aj iných zariadení. Taktie sa tu sna ím priblí výhody a nevýhody lineárnych
a spínaných zdrojov.
Druhá kapitola je venovaná problematike spínaných napájacích zdrojov.
Zaoberám sa tu jednak samotným princípom spínaného zdroja, jednotlivými
elektronickými sú iastkami, ktoré sú pou ívané v týchto zdrojoch a taktie
princípom konkrétnych topológií spínaných zdrojov.
V tretej kapitole sa zaoberám návrhom konkrétnej schémy spínaného
napájacieho zdroja. Sna ím sa tu podrobnej ie popísa jednotlivé asti tohto
zapojenia a taktie vysvetli princíp innosti celého navrhnutého zdroja. Okrem
schémy sa v tejto kapitole venujem aj praktickému návrhu plo ného spoja.
tvrtá kapitola je venovaná simuláciám navrhnutého zapojenia v programe
ORCAD a tie praktickým meraniam na danom zdroji. V tejto kapitole som sa
sna il porovna výsledky praktických meraní a simulácií s teoretickými
predpokladmi.
ilinská univerzita v iline, Elektrotechnická fakulta,Katedra telekomunikácií
Anota ný záznam
Priezvisko a meno: Kardo Milan rok: 2006
Názov práce: Návrh napájacieho zdroja vysiela a
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ
Po et strán: 53 Po et obrázkov: 42 Po et tabuliek: 1
Po et grafov: 0 Po et príloh: 9 Po et pou . lit.: 6
Anotácia v slovenskom jazyku :
V diplomovej práci sa zaoberám návrhom optimálneho rie enia spínaného
napájacieho zdroja, ur eného pre vf lineárny zosil ova . Mojou úlohou bolo
navrhnú a prakticky zrealizova tento spínaný zdroj s oh adom na jeho pou itie
s vf obvodmi.
Anotácia v anglickom jazyku:
In this thesis I work on design of an optimal solution of switched power supply
assigned for high frequency linear amplifier. My task was to design and practically
realize this switched power supply regarding its use with high frequency circuits.
ové slová :
Spínaný zdroj, impulz, topológia, konvertor, spätná väzba, PWM regulácia,
filtrácia, bootstrap, doba zapnutia, doba vypnutia, strieda, Orcad,
Vedúci diplomovej práce : Doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD.
Recenzent :
Dátum odovzdania práce: 19.5.2006
OBSAH1. Úvod.......................................................................................................................1
2. Cie ........................................................................................................................2
3. Napájacie zdroje...................................................................................................3
3.1 Úvod do problematiky napájania vf zosil ova ov...........................................3
3.2 Lineárne napájacie zdroje.................................................................................3
3.3 Porovnanie lineárnych a spínaných napájacích zdrojov...................................5
4. Spínané napájacie zdroje.....................................................................................7
4.1 Úvod do problematiky spínaných zdrojov........................................................7
4.2 Základné zapojenia spínaných napájacích zdrojov...........................................7
4.2.1 Konvertor typu Buck (zni ovanie napätia)................................................9
4.2.2 Konvertor typu Boost (zvy ovanie napätia)............................................10
4.2.3 Konvertor typu Buck – Boost (inverzia napätia).....................................11
4.3 Budúcnos spínaných zdrojov.........................................................................11
4.4 Transformátory v konvertoroch spínaných zdrojov........................................13
4.5 Výber výkonových polovodi ov.....................................................................15
4.6 Kondenzátory v obvodoch spínaných zdrojov................................................17
4.6.1 Filtra né (akumula né kondenzátory)......................................................17
4.6.2 Impulzné kondenzátory............................................................................19
4.6.3 Útlmové kondenzátory.............................................................................19
4.6.4 Komuta né kondenzátory.........................................................................21
4.7 Základné zapojenia spínaných zdrojov...........................................................22
4.7.1 Flyback (akumula né zapojenie)..............................................................22
4.7.2 Forward (priepustné zapojenie)................................................................24
4.7.3 Push – pull (dvoj inné zapojenie).............................................................27
4.7.4 Half – Bridge (mostíkové zapojenie - polomost)......................................29
4.7.5 Full – Bridge (mostíkové zapojenie – plný most).....................................30
4.8 Impulzná írková modulácia...........................................................................31
5. Návrh optimálneho rie enia spínaného napájacieho zdroja...........................33
5.1 Schéma zapojenia spínaného zdroja...............................................................34
5.1.1 Vstupný usmer ova ................................................................................34
5.1.2 Vstupný filter...........................................................................................35
5.1.3 Spína .......................................................................................................35
5.1.4 Transformátor...........................................................................................36
5.1.5 Výstupný usmer ova ..............................................................................37
5.1.6 Výstupný filter..........................................................................................37
5.1.7 Spätná väzba.............................................................................................38
5.1.8 Napájanie obvodov jednosmerným napätím............................................40
5.1.9 Popis innosti celkového zapojenia spínaného zdroja.............................41
5.2 Návrh dosky plo ných spojov..........................................................................43
6. Výsledky simulácií a praktických meraní........................................................45
7. Záver....................................................................................................................53
ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK StranaObr. 3.1 Bloková schéma lineárneho sie ového napájacieho zdroja ...................... 4Tabu ka 3.1 Porovnanie lineárnych a spínaných zdrojov ...................................... 6Obr. 4.1 Bloková schéma spínaného napájacieho zdroja.........................................7Obr. 4.2 Konvertor typu Buck..................................................................................9Obr. 4.3 Konvertor typu Boost............................................................................... 10Obr.4.4 Konvertor typu Buck – Boost.................................................................... 11Obr. 4.5 Synchrónny usmer ova ............................................................................12Obr. 4.6 Porovnanie feritových jadier pou ívaných v asymetrických.....................14 a symetrických konvertorochObr. 4.7 Aplikácia filtra ného kondenzátora na výstupe spínaného zdroja ........... 18Obr. 4.8 Priebehy napätia a prúdu na filtra nom kondenzátore na výstupe ............18
spínaného zdrojaObr. 4.9 Priebehy napätia a prúdu na akumula nom kondenzátore ....................... 18Obr. 4.10 Príklad zapojenia impulzného kondenzátora........................................... 19Obr. 4.11 Priebehy napätia a prúdu na impulzne vybíjanom kondenzátore ........... 19Obr. 4.12 Pripojenie útlmového kondenzátora k dióde D....................................... 20Obr. 4.13 Priebehy napätia a prúdu na útlmovom kondenzátore............................ 20Obr. 4.14 Zapojenie komuta ných kondenzátorov (jedna z mo ných variant)....... 21Obr. 4.15 Priebehy napätia a prúdu na komuta nom kondenzátore ....................... 21Obr. 4.16 Konvertor typu Flyback – tranzistor zopnutý......................................... 22Obr. 4.17 Konvertor typu Flyback – tranzistor rozopnutý...................................... 22Obr. 4.18 Konvertor typu Forward.......................................................................... 24Obr. 4.19 Konvertor Forward s dvoma tranzistormi............................................... 25Obr. 4.20 Konvertor typu Push – pull..................................................................... 27Obr. 4.21 Konvertor typu Half – Bridge..................................................................29Obr. 4.22 Konvertor typu Full – Bridge.................................................................. 30Obr. 4.23 Zapojenie zdroja s impulzovou írkovou moduláciou............................. 32Obr. 4.24 Priebehy napätia v zdroji s impulzovou írkovou moduláciou............... 32Obr. 5.1 Vstupný usmer ova ................................................................................ 34Obr. 5.2 Vstupný filter............................................................................................ 35Obr. 5.3 Spína ........................................................................................................ 36Obr. 5.4 Transformátor............................................................................................ 36Obr. 5.5 Výstupný usmer ova .............................................................................. 37Obr. 5.6 Výstupný filter.......................................................................................... 37Obr. 5.7 Prvá as spätnej väzby............................................................................. 38Obr. 5.8 PWM regulátor UC 3845..........................................................................39Obr. 5.9 Driver IR 2110 v spojení s tranzistormi.................................................... 40Obr. 5.10 Lineárne napájacie zdroje integrovaných obvodov................................. 41
a bootstrapového kondenzátoraObr. 6.1 Priebeh napätia z výstupu PWM regulátora bez regulácie....................... 46Obr. 6.2 Pílovitý signál generovaný PWM regulátorom......................................... 46Obr. 6.3 Odsimulovaný priebeh napätia na tranzistore VT2.................................. 47Obr. 6.4 Nameraný priebeh napätia na tranzistore VT2.......................................... 47Obr. 6.5 Priebeh simulovaného primárneho ( ervený priebeh).............................. 48
a sekundárneho (zelený priebeh) napätia transformátoraObr. 6.6 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora ................... 48
(meranie amplitúdy primáru)Obr. 6.7 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora.................... 49
(meranie amplitúdy sekundáru)Obr. 6.8 Reálny priebeh napätia na dióde VD9....................................................... 49Obr. 6.9 Simulovaný priebeh napätia na dióde VD9............................................... 50Obr. 6.10 Priebeh odsimulovaného napätia na tlmivke L3......................................50Obr. 6.11 reálny priebeh napätia na tlmivke L3.......................................................51Obr. 6.12 Odsimulovaný priebeh kolektorového prúdu tranzistora VT2................ 51Obr. 6.13 Simulácia zvlnenia výstupného napätia.................................................. 52
ZOZNAM POU ITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV
K - inite stabilizácie
RTst - vnútorný odpor stabilizátora
UIN - vstupné napätie
UOUT - výstupné napätie
t1 - doba zopnutia tranzistora
t2 - doba vypnutia tranzistora
s - strieda
B - magnetická indukcia
H - magnetická intenzita
Vf - úbytok napätia v priepustnom smere
UREF - referen né napätie
UPWM - výstupné napätie PWM regulátora
UOSC - napätie oscilátora
UERR - chybové napätie
A - energia
Uind - indukované napätie
SMPS - (Switch Mode Power Supply) – spínaný napájací zdroj
PWM - (Pulse Width Modulated) – impulzová írková modulácia
COMP - (comparator) – komparátor
FRED - (Fast Recovery Epitaxial Diode) – rýchlo obnovovacia
epitaxiálna dióda
RMS - (Root Mean Square) – efektívna hodnota
OSC - (Oscillator) – oscilátor
REF - (Reference) – referencia
OUT - (Output) – výstup
GND - (Ground) – zem
SLOVNÍK TERMÍNOV
Buck - zni ovanie napätia
Boost - zvy ovanie napätia
Buck – Boost - inverzia napätia
Flyback - akumulujúce zapojenie
Forward - priepustné zapojenie
Push – Pull - dvoj inné zapojenie
Half – Bridge - mostíkové zapojenie - polomost
Full – Bridge - mostíkové zapojenie - plný most
Driver - budi
Power - výkon
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Strana 1
1. ÚVOD
V poslednom období zaznamenal svet dizajnu napájacích zdrojov postupný
presun od pou ívania lineárnych napájacích zdrojov k ím viac praktickej ím
spínaným napájacím zdrojom (SMPS – Switch Mode Power Supply). Lineárne
napájacie zdroje obsahujú extrémne ve ké a ké sie ové transformátory a majú
malú ú innos . Toto sú dve hlavné nevýhody týchto typov. Typická tandardná
innos lineárnych zdrojov je 30%. Pou itím spínaného napájacieho zdroja
dosiahneme ú innosti medzi 70 a 80%, o je zna ný rozdiel. Navy e pri vysokých
spínacích frekvenciách sú ve kosti výkonového transformátora a skupiny
filtra ných sú iastok v spínaných zdrojoch dramaticky zmen ené v porovnaní so
zdrojmi lineárnymi. Napríklad spínané zdroje s pracovnou frekvenciou 20 kHz
obsahujú 4x men iu ve kos sú iastok a pri frekvenciách 100 kHz a vy ie je toto
zmen enie a 8x. To znamená, e spínané zdroje mô u by tvorené ako ve mi
kompaktné zdroje s nízkou hmotnos ou. Toto je v sú asnosti základnou
po iadavkou vä iny elektronických systémov.
Základom spínaných zdrojov sú tzv. konvertory, nazývané aj regulátory
alebo meni e. Podstatou takéhoto konvertora je sekcia vysokofrekven ného
prevodníka, kde je vstupné napájanie rozkmitané na ve mi vysoké frekvencie
(sú astné technológie pou ívajú frekvencie od 20 kHz do 200 kHz), potom je
filtrované a vyhladené, ím sa vytvoria jednosmerné výstupy. Obvodová
konfigurácia, ktorá ur uje ako je energia prená aná, sa nazýva topológia spínaného
zdroja a je extrémne dôle itou as ou dizajnového procesu. Topológia pozostáva
z transformátora, induktorov, kondenzátorov a výkonových polovodi ov (bipolárny
alebo MOSFET výkonový tranzistor a výkonový usmer ova ). V sú asnosti
existuje ve mi iroký sortiment topológií, ka dá má svoje výhody a nevýhody,
realizovaných pre pecifické aplikácie.
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Strana 2
2. CIE
Cie om diplomovej práce je navrhnú a prakticky zrealizova sie ový
spínaný napájací zdroj, ktorý by bol vhodný na napájanie vysokofrekven ného
zosil ova a, ale aj iných elektronických zariadení. Ke e je prednostne ur ený pre
vf zosil ova , je potrebné zabezpe filtráciu výstupného napätia, aby na výstup
neprenikali nejaké ru ivé vy ie harmonické.
V prvej kapitole sa budem zaobera v eobecnou problematikou napájacích
zdrojov, ako lineárnych, tak aj spínaných.
Druhá kapitola bude venovaná spínaným zdrojom, princípu ich innosti,
jednotlivým zapojeniam a PWM regulácii.
V tretej asti sa budem zaobera optimálnym návrhom spínaného zdroja
a taktie návrhom plo ného spoja.
tvrtú as zameriam jednak na praktické merania, ktoré budú realizované
na navrhnutom zdroji a taktie na simulácie v prostredí ORCAD 10.
Strana 3
3. NAPÁJACIE ZDROJE
3.1 Úvod do problematiky napájania vf zosil ova ov
innos elektronických zariadení je podmienená dodávaním elektrickej
energie vo forme jednosmerného napätia a prúdu. Energiu získavame zo striedavej
siete pomocou sie ových napájacích zdrojov. Takýto zdroj predstavuje elektrický
obvod, ktorý má za úlohu meni striedavé napätie na jednosmerné napätie so
zabezpe ením po adovanej ve kosti tohto napätia v ur itom prúdovom rozmedzí.
Po iadavkami, kladenými na napájacie zdroje, sú najmä vysoká stabilita
usmerneného napätia, vysoká ú innos ( ve mi malé straty ), o najmen ia
hmotnos , malé výstupné zvlnenie a nízka cena.
Ku zariadeniam, ktoré vy adujú napájanie, patria aj vysokofrekven né
zosil ova e. Tieto zosil ova e, podobne ako aj iné zariadenia, mô eme napája
z dvoch základných typov zdrojov. Prvým typom sú tzv. lineárne napájacie zdroje,
ktoré sa prednostne pou ívali v minulosti. Vývoj elektroniky viedol ku vzniku
druhého typu napájacích zdrojov, ozna ovaných ako spínané zdroje (SMPS). Ak
napájame vf zosil ova z lineárneho zdroja, nie sú na kladené nijaké pecifické
po iadavky. Toto v ak neplatí pre spínané zdroje, u ktorých musíme zabezpe tzv.
spektrálnu istotu výstupného napätia. Pojem spektrálna istota znamená, e na
výstup spínaného napájacieho zdroja nám neprenikajú iadne vy ie harmonické
zlo ky, ktoré vznikajú v danom zdroji. Ak by sa tieto zlo ky objavili na výstupe
zdroja, potom by ve mi ru ivo pôsobili na innos vf zosil ova a, ktorý pracuje na
vysokých frekvenciách.
3.2 Lineárne napájacie zdroje
Lineárne napájacie zdroje sa z ob ubou pou ívali najmä v star ích
zariadeniach, no ich pou itie v sú asnosti je stále aktuálne. Tieto zdroje sú zalo ené
na relatívne jednoduchom princípe, ktorý si vysvetlíme pomocou blokovej schémy,
znázornenej na obr. 3.1.
Strana 4
Na vstupe zdroja sa nachádza transformátor. Je to zariadenie, ktorého
úlohou je transformova (meni ) napätie, prúd, výkon, impedanciu a galvanicky
oddeli sie od alej nasledujúcich obvodov.
Obr. 3.1 Bloková schéma lineárneho sie ového napájacieho zdroja [5]
al ou as ou sie ového napájacieho zdroja je usmer ova , ktorý premie a
striedavé napätie na jednosmerné. Skladá sa z jednej alebo nieko kých diód,
zapojených vhodným spôsobom, na ktoré je pripojená zá . Bez oh adu na druh
zá e mô eme usmer ova e rozdeli pod a po tu usmer ovacích ciest, ktorými
prechádza prúd na jednocestné a dvojcestné (v silnoprúdovej elektrotechnike tie
viaccestné). Ve kos usmerneného napätia závisí od spôsobu zapojenia
usmer ova a, od ve kosti usmer ovaného napätia a odoberaného prúdu, od hodnôt
pou itých sú iastok a vnútorného odporu celého zapojenia. Vnútorný odpor sa
spravidla ur uje pre jednu usmer ovaciu cestu a nazýva sa odpor fázy
usmer ova a. Tvorí ho vnútorný odpor diódy a vnútorný odpor sie ového
transformátora, ktorý sa skladá z odporu sekundárneho vinutia a z odporu
primárneho vinutia, pretransformovaného na sekundárnu stranu transformátora.
Medzi usmer ova a napájané obvody zara ujeme tzv. filter vtedy, ak je
inite zvlnenia priamo na výstupe usmer ova a príli ve ký, tak e zdroj nemo no
na daný ú el pou . Ú inok filtra posudzujeme pod a ve kosti inite a vyhladenia,
ktorý udáva, ko kokrát daný filter zmen uje amplitúdu prvej harmonickej zvlnenia
(alebo aj inite a zvlnenia, ak úbytok jednosmerného napätia na filtre nie je ve ký).
Ak je filter viacstup ový, výsledný inite vyhladenia sa rovná sú inu inite ov
vyhladenia jednotlivých stup ov. Naj astej ie sa pou ívajú základné druhy filtrov, a
to RC a LC filtre. Vzh adom na úbytok jednosmerného napätia, ktorý vzniká na
rezistore R, sú RC filtre vhodné len pre malé prúdy. Pre ve ké prúdy sa s výhodou
pou ívajú LC filtre.
Strana 5
Na napájacie zdroje pre elektronické zariadenia kladieme ve mi asto prísne
po iadavky nielen pokia ide o minimálnu ve kos zvlnenia jednosmerného
napätia, ale aj z dôvodov udr ania jeho kon tantnej hodnoty na zá i pri kolísaní
napätia zdroja (siete, batérie a pod.), alebo pri zmenách za ovacieho prúdu.
Zariadenia s obvodmi, ktoré automaticky vyrovnávajú vznikajúce napä ové zmeny
na zá i, sa nazývajú stabilizátory napätia. V podstate existujú dva druhy
stabilizátorov, a to parametrické a so spätnou väzbou.
Základnými veli inami stabilizátora napätia sú inite stabilizácie K, ktorý udáva,
ko kokrát stabilizátor zmen uje pomerné kolísanie napätia a vnútorný odpor
stabilizátora RTst.
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [5]
3.3 Porovnanie lineárnych a spínaných napájacích zdrojov
Najvä ou výhodou spínaných zdrojov je ich vysoká ú innos , a to najmä
v prípadoch obmedzeného výkonu, dodávaného z batérií, alej ich váha a rozmery.
Aj napriek komplikáciám návrhu percento spínaných zdrojov stále rastie a dnes sa
dá odhadnú , e ich nasadenie je zaujímavé u v etkých zdrojov u výkonu jednotiek
Wattov.
Výhodou spínaných zdrojov, vyplývajúcou z vysokej pracovnej frekvencie,
je jednoduchá filtrácia zbytkov striedavej zlo ky. Táto vlastnos sa v ak uplatní a
pri podstatne vy ích frekvenciách, ne je frekvencia siete a preto spínané zdroje
s tyristormi, pracujúcimi práve na frekvenciách 50Hz, i o nie o málo vy ími sú
dnes nepou ite ným anachronizmom.
Nevýhodou spínaných zdrojov práve z h adiska ich vysokej pracovnej
frekvencie je vy ia cena jednotlivých sú iastok, ktoré musia na takto vysokých
frekvenciách spo ahlivo pracova (medzné frekvencie tranzistorov a diód,
rozptylové kapacity transformátorov a jednosmerné odpory elektrolytických
kondenzátorov). Práve s postupne klesajúcou cenou týchto sú iastok klesá aj
výkonová hranica efektívneho vyu itia spínaných zdrojov.
Porovnanie spínaných zdrojov s lineárnymi je preh adne uvedené v
tabu ke .1. Ú innos spínaných zdrojov sa be ne pohybuje v rozmedzí od 70 % do
80 % a to aj v prípade ve mi zlých spínaných zdrojov od 60 % do 65 %.
Strana 6
Obdobné lineárne zdroje podobných parametrov by len ko mohli dosiahnu
innos lep iu ne 50%, obvykle sa ich ú innos pohybuje okolo 30%.
Podstatné zlep enie ú innosti sa dosahuje v okolí pracovných frekvencii 20kHz,
av ak dne né sú iastky umo ujú aj kon trukciu spínaných zdrojov, ktoré pracujú
na frekvenciách 100kHz a 1MHz s ú innos ou a 8 – krát lep ou ne ich obdobné
lineárne zapojenie s podobnými vlastnos ami.
Lineárne napájacie zdroje obsahujú extrémne ve ké a ké sie ové
transformátory, o spolu s malou ú innos ou predstavuje dve hlavné nevýhody.
V spínaných zdrojoch sú aj pri vysokých spínacích frekvenciách ve kosti
výkonového transformátora a skupiny filtra ných sú iastok dramaticky zmen ené v
porovnaní so zdrojmi lineárnymi. To znamená, e spínané zdroje mô u by tvorené
ako ve mi kompaktné zdroje s nízkou hmotnos ou. A práve toto je v sú asnosti
základná po iadavka vä iny elektronických systémov. al ie parametre mô u by
prinajmen om porovnate né.
Parameter Spínaný zdroj Lineárny zdroj
innos 75 % 30 %
Ve kos 0,2 W/cm3 0,05 W/cm3
Váha 100 W/kg 20 W/kg
Výstupné zvlnenie 50 mV 5 mV
umové napätie 200 mV 50 mV
Odozva na skok 1 ms 20 s
Doba nábehu 20 ms 2 ms
Cena pribli ne kon tantná rastie s výkonom
Tabu ka 3.1 Porovnanie lineárnych a spínaných zdrojov [2]
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [2] a [6]
Strana 7
4. SPÍNANÉ NAPÁJACIE ZDROJE
4.1 Úvod do problematiky spínaných zdrojov
Popularita spínaných napájacích zdrojov v poslednej dobe ve mi rastie a
stávajú sa preva ujúcou skupinou zdrojov na trhu. Umo ujú vytvára kompaktné
prístroje s malou hmotnos ou, objemom a s ve kou ú innos ou. Praktický návrh
spínaných zdrojov je v ak omnoho komplikovanej í, ne u zdrojov lineárnych
a náro nos na výber sú iastok ich návrh alej komplikuje[2].
4.2 Základné zapojenie spínaného napájacieho zdroja
Obr. 4.1 Bloková schéma spínaného napájacieho zdroja [2]
Spínaný zdroj sa skladá z nieko ko základných astí, znázornených na
obr. 4.1. Nie v dy obsahuje v etky (výstupný filter) a asto obsahuje aj niektoré
naviac (vstupný usmer ova ). Podmienkou innosti spínaného zdroja je
jednosmerné vstupné napätie, pokia mo no o najviac zbavené striedanej zlo ky,
ktorá vzh adom k svojej nízkej frekvencii (50Hz) ahko prechádza celým filtrom a
na jeho výstup. Sú teda dve základné mo nosti, bu je vstupné napätie jednosmerné
a z obvykle ve mi malým vnútorným odporom, potom náro nos na výstupný filter
nieje vysoká, takéto zdroje nazývame DC – DC meni e. Druhá mo nos
Strana 8
predstavuje prípad, kedy je vstupné napätie striedavé a po jeho usmernení vstupným
usmer ova om je potrebné dôkladne vyhladi jeho zbytkové zvlnenie vstupným
filtrom. Obidva tieto prvky, ako usmer ova , tak vstupný filter musia by
dostato ne ú inné na sie ovej frekvencii 50Hz, o vedie k pou itiu prakticky
ubovolných usmer ovacích diód (vhodných parametrov), ale na zna né nároky na
filtra ný len (RC, LC), ktorý aj na takto nízkej frekvencii musí by dostato ne
inný. Aby sme mohli vstupné napätie transformova , je nutné previes ho na
striedavý tvar, o sa v spínanom zdroji realizuje pomocou vysokofrekven ných
spínacích tranzistorov (bipolárnych alebo MOSFET), ktoré pri frekvenciách 20kHz
1MHz vytvoria striedavý obd nikový priebeh. Vlastná transformácia ve kosti
napätia prebieha bu na induk nosti alebo na transformátore. Výstupné striedané
napätie je nutné usmerni a opätovne vyfiltrova obsah jeho striedavej zlo ky.
Pritom naopak vzh adom ku vstupným obvodom sú vysoké po iadavky kladené na
diódy, ktoré musia vykazova usmer ovací efekt na pracovnej frekvencii (malá
kapacita prechodu, malá spínacia a vypínacia doba).
Na výstupný filter u z aleka nie sú kladené také po iadavky, preto e pracuje na
vysokej frekvencii a jeho filtra né ú inky na tejto frekvencii sú vynikajúce. V etky
spínané zdroje sú riadené spätnou väzbou, ktorá sníma ve kos výstupného napätia,
prípadne výstupného prúdu a pomocou riadiacej logiky riadi spínanie spínacích
tranzistorov. Tým sa dosiahne stabilná hodnota jednosmerného napätia na výstupe
zdroja. Zvy ajne vä ina spínaných zdrojov pracuje na pevnej frekvencii so
írkovou moduláciou, kde as zopnutia výkonového spína a je premenlivý. Toto
vyrovnáva zmeny vo vstupnom napájaní a na výstupnej zá i. Výstupné napätie sa
porovnáva s presným referen ným zdrojom a rozdielové napätie, produkované
komparátorom, je pou ité pre riadiacu logiku k obmedzeniu nasledujúcich
impulzov, ktoré budú privedené ku hlavným výkonovým spína om. Správna
kon trukcia spínaných zdrojov poskytuje ve mi stabilné jednosmerné výstupné
napätie. Podstatné je, aby sme oneskorenie v regula nom obvode udr ali na
minime, iná by nastali problémy so stabilitou. Preto pre regula ný obvod musíme
vybera vysoko rýchlostné sú iastky. V zdrojoch s väzobným transformátorom
po adujeme v spätnej väzbe nejaký typ elektrickej izolácie za ú elom udr ania
úplne izolovanej bariéry. Táto sa zvy ajne dosahuje pou itím malého impulzného
transformátora alebo optického izolátora.
Strana 9
V mnohých aplikáciách obsahujú toplógie spínaných zdrojov napä ový
transformátor. Ten nám zabezpe í oddelenie, zmenu napätia prostredníctvom
zmeny pomeru závitov a schopnos poskytnú mnohonásobný výstup. Av ak
existujú aj neoddelené topológie (bez transformátorov), u ktorých je spracovanie
energie dosahované samostatným induk ným transferom tejto energie. Pod a
spôsobu zapojenia rozoznávame tri základné typy neoddelených topológií, ktoré sa
nazývajú Buck, Boost a Buck – Boost.
4.2.1 Konvertor typu Buck (zni ovanie napätia)
V tomto konvertore (obr. 4.2) je induk nos zapojená ako as integra ného
LC lánku.
Obr. 4.2 Konvertor typu Buck [2]
Výstupný kondenzátor C je dobíjaný prúdom I1 a po zopnutí spína a S na
om rastie napätie tým pomal ie, ím je vä ia kapacita C a induk nos L. Po
rozopnutí spína a S sa sna í induk nos L udr smer a ve kos svojho prúdu.
Energia akumulovaná v priebehu prvej etapy (v dobe zopnutého spína a S) sa mení
na dobíjací prúd I2 kondenzátora C. Aby v ak prúd I2 mohol v tomto obvode
preteka , je treba doteraz popísané sú iastky doplni diódou D, uzatvárajúcou
prúdový obvod prúdu I2. Z daného popisu princípu innosti tohto obvodu plynie, e
v priebehu prvej asti (zopnutý S) napätie na výstupe rastie a v priebehu druhej
asti (spína S rozopnutý) výstupné napätie klesá. Ak je v ak spínanie a rozopínanie
spína a S dostato ne rýchle, potom má výstupné zvlnenie napätia Uout rovnakú
frekvenciu a je ho mo né ve mi dobre filtrova . alej z uvedeného vyplýva, e
výstupné napätie Uout mô e by maximálne také ve ké, ako je vstupné napätie UIN.
Ak budeme predl ova dobu t1, kedy je spína zopnutý, výstupné napätie bude rás
rovnako ako v prípade, kedy budeme dobu t2 skracova . Ak chceme výstupné
napätie zní , potom zní ime dobu t1 , prípadne zvý ime dobu t2 .
Strana 10
4.2.2 Konvertor typu Boost (zvy ovanie napätia)
Tento typ zapojenia sa skladá z rovnakých stavebných prvkov ako
predchádzajúci typ, rozdiel je len v tom, e spína je zapojený paralelne na zem
(obr. 4.3).
Obr. 4.3 Konvertor typu Boost [2]
V priebehu doby t1 (zopnutý spína S) sa výstupný kondenzátor vybíja do
zá e a aby sa nevybíjal aj cez zopnutý spína S, je oddelený diódou D, ktorá je pri
zopnutom spína i S polarizovaná v závernom smere a nevedie prúd. Zo zdroja
jednosmerného napätia UIN te ie prúd I1 cez induk nos L a spína S a energia sa
akumuluje v magnetickom poli induk nosti a jej ve kos mô eme ur pod a
vz ahu (4.1).
2
21 ILA ⋅⋅= (4.1)
Prúd I1 induk nos ou narastá a do okam iku, kedy je spína S rozopnutý. V tomto
okamihu induk nos chce opä udr smer a ve kos prúdu I1 a vzniká na nej
indukované napätie vyjadrené vz ahom (4.2).
dtdILU ind
1⋅−= (4.2)
Toto napätie sa s íta z napätím napájacieho zdroja UIN a obidve tieto napätia v sérii
prehá ajú prúd I2 do výstupného kondenzátora C ( a za ovacieho odporu, ak je
pripojený). Preto e ve kos indukovaného napätia Uind závisí na hodnote
induk nosti cievky L, na ve kosti pôvodného prúdu I1 a na rýchlosti rozopnutia
spína a S (dt), potom toto napätie nieje amplitúdovo obmedzené a mô e by
teoreticky ubovo ne vysoké. Po s ítaní s napätím UIN je teda výstupné napätie Uout
dy vy ie ako UIN.
Strana 11
4.2.3 Konvertor typu Buck – Boost (inverzia napätia)
Tento typ predstavuje zapojenie, v ktorom je spína S opä v sérii, ale
paralelne je cievka s induk nos ou L (obr. 4.4).
Obr.4.4 Konvertor typu Buck Boost [2]
V dobe t1 (zopnutý spína S) rastie prúd zo zdroja UIN cez spína
S a induk nos L tak dlho, ako dlho je zopnutý S. Po rozopnutí spína a S má
induk nos snahu pokra ova v smere a ve kosti prúdu I1 prúdom I2 , ktorý sa bude
uzatvára cez nabíjaný kondenzátor C a diódu D. Tým na kondenzátore C vzrastie
napätie, ale v polarite plus dole, mínus hore. Výstupné napätie Uout má teda opa nú
polaritu vzh adom k spolo nej svorke, ne napätie vstupné. Dióda D je
polarizovaná tak, aby nedochádzalo v priebehu doby t1 k prebíjaniu kondenzátora C
na kladnú polaritu zo zdroja UIN. Doby spínania spína a S opä nie sú
interpretovate né jednozna ne. Pri raste doby t1 (zopnutý S) síce rastie ve kos
akumulovanej energie v magnetickom poli induk nosti, ale o to viac klesá výstupné
napätie vybíjaním kondenzátora C do zá e. S princípu innosti tohto obvodu v ak
vyplýva, e výstupné napätie Uout mô e by ako men ie, tak aj vä ie, ne napätie
vstupné.
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [2] a [6]
4.3 Budúcnos spínaných zdrojov
Predpokladá sa a to najmä v súvislosti so zni ovaním príkonov výpo tovej
techniky (notebooky) s nutným zni ovaným výkonov, pre ktoré budú u spínané
zdroje výhodné aj ekonomicky. Sú astné bipolárne tranzistory umo ujú pracova
na spínacích frekvenciách do 200kHz a FET tranzistory a do 1MHz. Z al ou
rastúcou frekvenciou budú klesa najmä rozmery spínaných zdrojov a jednoduchos
Strana 12
filtrácie spínacích produktov. V sú astnej dobe sú najmä limitujúce obmedzené
umové pomery spínaných zdrojov, ktoré sú pecifikované radou národných
noriem, ktoré sa lí ia. Smer rie enia týchto problémov vedie na neustále
dokonalej ie filtre, teda opä na zvy ovanie frekvencie a kvality pasívnych prvkov.
V neposlednej rade sa predpokladá vplyv nových aplika ných zapojení, ako sú
napríklad synchrónne usmer ova e, ktoré za ínajú nahradzova klasické, ale aj
Schottkyho diódy. Ak pri napájacích napätiach okolo 5 V boli pou ívané diódy
s priepustným (a teda aj stratovým) napätím 0,5 a 1 V, pre systémy procesorov
a pamätí s napájacím napätím 3,3 V je potreba hodnoty priepustných napätí
zni ova , aby neklesala energetická ú innos . Synchrónne usmer ova e vedia
pracova s priepustným napätím 0,2 a 0,5 V. Zapojenie takého synchrónneho
usmer ova a je na obr. 4.5.
Obr. 4.5 Synchrónny usmer ova [2]
Zapojenie obsahuje tranzistor TMOS, ktorého vodivý kanál N vzniká
v prípade, e riadiaca elektróda G je kladne polarizovaná oproti substrátu, resp.
emitoru (source) S, ktorý je so substrátom spojený vo vnútri tranzistora. Kladné
napätie pre elektródu G získavame z vinutie N2, ktoré je nevýkonové oproti
výkonovému vinutiu N3. K zopnutiu vplyvom vzniku kanála N dochádza ve mi
rýchlo rovnako ako k jeho zániku (doba záverného zotavenia je men ia ne 100 ns).
A pritom pri prechode prúdu je na tranzistore medzi elektródami S a D (na
zopnutom kanály) úbytok napätia do 0,2 V. Sú astné TMOS tranzistory sú schopné
na rozopnutom kanále udr napätie okolo 30 V.
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [2]
Strana 13
4.4 Transformátory v konvertoroch spínaných zdrojov
Neoddelené verzie majú ve mi limitované pou itie a to ako dc-dc regulátory
schopné produkova len jediný výstup. Výstupný rozsah je tie limitovaný vstupom
a pracovným cyklom. Pridanie transformátora odstra uje najviac týchto obmedzení
a zabezpe í konvertor s nasledujúcimi výhodami:
1. Vstup je vo i výstupu oddelený. Toto je v dy nevyhnutné pri
220V sie ových aplikáciách, kde musí by pre výstup zabezpe ený
ur itý stupe bezpe nosti.
2. Pomerový transformátor mô e poskytova výstupy zna ne odli né od
vstupu, neoddelené verzie sú limitované pribli ne v 5-násobnom rozpätí.
Pri výbere správneho pomeru mô e by pracovný cyklus konvertora
optimálny a pi ky toku prúdu minimalizované. Polarita ka dého
výstupu je tie volite ná, závisí na polarite sekundáru vo i primáru.
3. Ve mi ahko sa získa viacnásobný výstup, jednoducho pripojením
viacero sekundárnych vinutí k transformátoru. Sú tu aj ur ité nevýhody
týkajúce sa transformátorov, ako napríklad ich prídavné rozmery, váha
a straty energie. Problémom mô e by aj vytváranie napä ových pi iek
spôsobené rozptylovou induk nos ou.
Strana 14
Obr. 4.6 Porovnanie feritových jadier pou ívaných v asymetrických a symetrických
konvertoroch [1]
Oddelené konvertory sú rozdelené do dvoch hlavných kategórii, a to
asymetrické a symetrické, v závislosti od toho, ako pracuje transformátor.
V asymetrických konvertoroch je magnetický pracovný bod transformátora v dy
v jedinom kvadrante, t. j. tok a magnetické pole nikdy nemenia znamienko. Feritové
jadro má vynulova ka dý cyklus, aby sa predi lo saturácii, o znamená, e je v dy
vyu itá len polovica pou ite ného toku. Toto mô eme vidie na obr. 4.6, ktorý
znázor uje pracovný re im ka dého konvertora.
Konvertory flyback a forward sú oba asymetrického typu. Diagram tie
nazna uje, e flyback konvertor pracuje pri ni ej permeabilite (B/H) a ni ej
induk nosti ako ostatné. To je preto, preto e flyback transformátor v skuto nosti
zásobuje v etku energiu predtým, ako ju odovzdá do zá e, preto k zásobovaniu
tejto energie a k predídeniu saturácie sa po aduje vzduchová medzera. Vzduchová
medzera má efekt zni ovania celkovej permeability jadra. V etky ostatné
konvertory majú transformátor, ktorý nevytvára iadne zásoby energie, preto
nepotrebujú vzduchovú medzeru. V symetrických konvertoroch, ktoré v dy
vy adujú párny po et spínacích tranzistorov, sa pou íva celý dosa ite ný tok
kolísajúci v oboch kvadrantoch B/H slu ky, takto je omnoho viac efektívnej ie
vyu ité feritové jadro. Symetrické konvertory mô u z tohto dôvodu produkova
Strana 15
viacej energie ne ich asymetrický príbuzný. Najvýznamnej ie pou ívané
symetrické topológie sú push – pull, half – bridge a full – bridge.
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [1]
4.5 Výber výkonových polovodi ov
Jedny z najdôle itej ích polovodi ových prvkov, pou ívaných v spínaných
zdrojoch sú spínacie tranzistory. Pou ívajú sa dva základné typy tranzistorov, a to
bipolárne a výkonové MOSFET tranzistory. Pou itie bipolárneho tranzistora je
be ne limitované frekvenciou do 30 kHz. Av ak má ve mi nízke straty v zopnutom
stave a je relatívne lacný, najviac je vhodný pre aplikácie s ni ími frekvenciami.
MOSFET tranzistor je ur ený pre vy ie pracovné frekvencie, preto e dosahuje
ve mi rýchle spínacie rýchlosti, vyplývajúce z nízkych (frekven ne závislých)
spínacích strát. Budenie MOSFET tranzistorov je tie aleko jednoduch ie a sú na
kladené men ie po iadavky. Av ak straty v zopnutom stave MOSFET tranzistorov
sú aleko vy ie ne bipolárnych a sú tie zvy ajne drah ie. Pou itie toho ktorého
typu tranzistora závisí od kompromisu medzi cenou a po adovaným výkonom.
Po rozhodnutí, i sa pou ije bipolárny alebo MOSFET tranzistor nasleduje
al í krok, a to rozhodnú sa pre vhodný typ tranzistora na základe správneho
výberu napä ovej triedy. Pre transformátorom viazané topológie je maximálne
vrcholové napätie na tranzistore be ne bu polovica, celá alebo dvojnásobná
ve kos vstupného napätia zdroja, závisí to od pou itej topológie. Mô e sa tu
nachádza aj významné pi kové napätie spôsobené rozptylovou induk nos ou
transformátora, ktoré musíme tie zoh adni . Tranzistor musí bezpe ne odoláva
týmto najhor ím hodnotám bez poru enia. V sú asnosti je maximálne
dosiahnute né blokovacie napätie pre výkonové bipolárne tranzistory 1500V a pre
výkonové MOSFET tranzistory 1000V. Pri výbere tranzistora sa predpokladá, e na
vstupe je pou ité usmernené sie ové napätie 220V. Maximálne jednosmerné
napätie, ktoré bude produkované pre tieto podmienky je 385V. Táto hodnota
predstavuje hladinu vstupného napätia pou ívanú pri výbere správnej napä ovej
triedy tranzistora.
Bipolárny tranzistor má ve mi nízky pokles napätia, ktorý je relatívne
kon tantný vo vnútri stanoveného prúdového rozsahu. Preto, ak má by bipolárny
Strana 16
tranzistor maximálne vyu itý, mal by pracova pri hodnotách o najbli ích k jeho
Icsat. Toto predstavuje ve mi dobrý kompromis medzi cenou, prevádzkovými
po iadavkami a spínaním. Maximálny elektrický prúd pre príslu ný prechod
energie je vypo ítaný pre ka dú topológiu pou itím jednoduchých rovníc. Hladiny
získané týmito rovnicami sú pou ité pre výber vhodného bipolárneho tranzistora.
MOSFET tranzistor pracuje rozdielne ako bipolárny v tom, e vrcholové napätie na
tranzistore je závislé na toku prúdu a na odpore, ktorý sa mení s teplotou. Preto
optimálny MOSFET pre daný konvertor mô e by vybraný len na základe toho, e
zariadenie nesmie presahova isté percento priepustnosti energie. (V tomto výbere
predpokladáme 5% straty v MOSFET tranzistore). Táto metóda predpokladá
zanedbate né straty spínaním v MOSFET tranzistore, av ak pre frekvencie nad
50 kHz sa tieto straty stávajú oraz viac významnými.
Okrem tranzistorov je nevyhnutnou sú as ou spínaného zdroja výstupný
usmer ova . Pre napä ový rozsah sú pecifické dva typy výstupných
usmer ova ov. Pre ve mi nízke výstupné napätia, pod 10V, je nevyhnutné ma
usmer ova s extrémne nízkym úbytkom napätia v priepustom smere Vf ,za ú elom
udr ania vysokej ú innosti konvertora. pecifickými sú tu Schottkyho typy, preto e
majú ve mi nízke hodnoty Vf (typická hodnota je 0,5V). Schottky majú tie
zanedbate né straty spínaním a mô u by pou ité vo ve mi vysokých frekvenciách.
Bohu ia ve mi nízka hodnota Vf Schottkyho typov je stratená vo vysokých
spätných blokovacích napätiach (typicky nad 50V) a iné typy diód sa stávajú oraz
viac vhodnej ími. Toto znamená, e Schottkytho typ je be ne vyhradený pre
pou itie vo ve mi nízkych výkonoch.
Pre vysoké napä ové výstupy najviac vhodným usmer ova om je rýchlo
obnovovacia epitaxiálna dióda (FRED). Táto dióda bola optimalizovaná pre
pou itie vo vf usmer ovaní. Je charakteristická nízkym Vf (pribli ne 1V) s ve mi
rýchlym a efektívnym spínaním. FRED má hodnotu spätného blokovacieho napätia
do 1000V. Z tohto dôvodu je vhodná pre pou itie na výstupe s napätím od 10 do
200V.
Pri vypracovaní tejto kapitoly som erpal z [1]
Strana 17
4.6 Kondenzátory v obvodoch spínaných zdrojov
V obvodoch spínaných zdrojov sa pou ívajú kondenzátory, na ktoré sú
kladené ve mi rôznorodé po iadavky. Vyskytujú sa tu kondenzátory, na ktorých je
preva ne jednosmerné napätie so zanedbate nou hodnotou striedavej zlo ky,
kondenzátory filtrujúce frekvenciu 100 Hz a kone ne kondenzátory, pracujúce na
vysokých frekvenciách (na pracovných frekvenciách spínaných zdrojov), na ktoré
sú kladené úplne pecifické po iadavky. V oblasti napájacích zdrojov a hlavne
spínaných zdrojov sa pou íva mnoho druhov kondenzátorov, ktoré musia
vyhovova najrôznej ím po iadavkám kapacity, napätia, tolerancie, stratového
inite a, teplotného rozsahu, kategórie vlhkosti, typu kon trukcie at . Podrobný
výber kondenzátora by mal by prevedený pod a konkrétnej technickej
pecifikácie.
Kondenzátory pou ívané v spínaných zdrojoch mô eme rozdeli na filtra né
(akumula né), impulzné, útlmové a komuta né.
4.6.1 Filtra né (akumula né) kondenzátory
Filtra né kondenzátory sú ur ené pre vyhladenie pulzujúcej zlo ky
jednosmerného napätia.
Akumula né kondenzátory sú jednosmerné kondenzátory, ktoré mô u
dodáva ve ké pi kové prúdy pod a potrieb jednotlivých zariadení. Tieto
kondenzátory sú periodicky nabíjané a vybíjané impulzným prúdom, ktorého
maximálna hodnota zna ne prevy uje efektívnu (RMS) hodnotu.
Akumula né kondenzátory sú preva ne vyhladzovacie kondenzátory so
zosilnenými prúdovými cestami, aby boli schopné pracova s ve kým pi kovým
prúdom. Navy e majú priaznivo navrhnuté podmienky tepelných re imov, aby boli
schopné rozptýli relatívne ve ký výkon (výkonové straty). Prednos ou
akumula ných kondenzátorov je ich ve ká kapacita na jednotku objemu a zosilnené
prúdové cesty.
Strana 18
Typické zapojenie filtra ného kondenzátora je na obr. 4.7, priebeh napätia na
filtra nom kondenzátore spolu s prúdom, ktorý nim preteká je na obr. 4.8.
Obr. 4.7 Aplikácia filtra ného kondenzátora na výstupe spínaného zdroja
Obr. 4.8 Priebehy napätia a prúdu na filtra nom kondenzátore na výstupe
spínaného zdroja
Obr. 4.9 Priebehy napätia a prúdu na akumula nom kondenzátore
Z h adiska spínaných zdrojov h adáme filtra né kondenzátory v dy na
výstupe zdroja.
Akumula ný kondenzátor má zabezpe aby spínaný zdroj dostal potrebný
pi kový prúd v okamihu, kedy si ho potrebuje odobra , a kedy mu to napájací
zdroj nieje schopný zabezpe (obr. 4.9). Z h adiska spínaného zdroja je teda
akumula ný kondenzátor v dy na jeho vstupe.
Strana 19
4.6.2 Impulzné kondenzátory
Sú jednosmerné kondenzátory, ktoré sa pou ívajú pre vstupné a výstupné
prúdové rázy. Sú príle itostne nabíjané a vybíjané pri spínaní zá e. Kvôli
rýchlemu vybíjaniu je u týchto kondenzátorov po adovaná malá vlastná induk nos
(L 300 nH). Prednos ou impulzných kondenzátorov je ich ve ká energetická
kapacita, schopnos prenosu ve kého pi kového prúdu a malá vlastná induk nos .
Príklad zapojenia impulzného kondenzátoru je na obr. 4.10, priebehy napätia
a prúdu na impulzne vybíjanom kondenzátore sú na obr. 4.11. Prednos ou
impulzných kondenzátorov je ich ve ká energická kapacita, schopnos prenosu
ve kého pi kového prúdu a malá vlastná induk nos .
Obr. 4.10 Príklad zapojenia impulzného kondenzátora
Obr. 4.11 Priebehy napätia a prúdu na impulzne vybíjanom kondenzátore
4.6.3 Útlmové kondenzátory
Ide o striedavé kondenzátory, ktoré sú paralelne pripojené k polovodi ovým
sú iastkam, aby potla ili alebo obmedzili ne iadúce napä ové pi ky, ktoré
vznikajú pri vypínaní induk ných zá í (induk nos sekundárneho vinutia
budiaceho transformátora). Útlmové kondenzátory sú periodicky nabíjané
Strana 20
a vybíjané a v aka tomu maximálna hodnota prúdu výrazne prevy uje efektívnu
hodnotu prúdu, pre ktorý je kondenzátor ur ený.
Obr. 4.12 Pripojenie útlmového kondenzátora k dióde D
Obr. 4.13 Priebehy napätia a prúdu na útlmovom kondenzátore
Zapojenie pod a obr. 4.12 sa ve mi asto vyskytuje vo výkonovej asti
spínaných zdrojov, kedy pi ka prúdu (obr. 4.13) na za iatku sínusového budiaceho
impulzu napätia urých uje zopnutie spínacej sú iastky (tranzistoru T na obr. 4.12),
ím sa zmen ia výkonové straty na tejto spínacej sú iastke. Pri vypínaný induk nej
zá e (v okamihu kedy dióda D vypína, preto e na nej pokleslo napätie pod
ve kos napätia priepustného) kondenzátor C chráni spínací prvok tým, e
prevezme prúd, ktorý te ie z induk nej zá e. Rezistor R zapojený v sérii
s útlmovým kondenzátorom C obmedzuje maximálny prúd kondenzátorom. Vo bou
ve kosti odporu rezistoru R mô eme nastavova ve kos maximálneho prúdu.
Útlmové kondenzátory sú okrem sínusovej polovlnovej zá e podrobené
napä ovým pi kám efektu akumulácie náboja a harmonickým periodickým
za eniam v prípade obvodu pre riadenie fázy (pri riadení spínaných prvkov).
Prednos ou útlmových kondenzátorov je ich ve ká napä ová stabilita (nemennos
kapacity a zvodového prúdu s prilo eným napätím) a schopnos prenies ve ký
pi kový prúd.
Strana 21
4.6.4 Komuta né kondenzátory:
Sú na striedavé napätie a sú ur ené pre potla enie prechodového stavu
v polovodi ových sú iastkach. Tieto kondenzátory sú periodicky impulzne nabíjané
a vybíjané prúdom, ktorého maximálna hodnota výrazne prevy uje efektívnu
(RMS) hodnotu.
Komuta né kondenzátory sú vystavené ve kému reaktan nému výkonu a ve kým
pi kovým prúdom. Pre za enie kondenzátora je rozhodujúci inite doba
prechodu medzi stavmi. Pre vysoké frekvencie (10 a 100 kHz) musí ma
kondenzátor isto kapacitnú reaktanciu, t.j. musí by navrhnutý s malou vlastnou
induk nos ou. Tieto kondenzátory musia ma ve kú teplotnú stabilitu pri ve kom
reaktan nom výkone, musia ma schopnos prená ve ký pi kový prúd a musia
ma malú vlastnú induk nos . Príklad zapojenia komuta ných kondenzátorov je na
obr. 4.14, priebehy napätia a prúdu na komuta ných kondenzátorov sú na obr. 4.15.
Obr. 4.14 Zapojenie komuta ných kondenzátorov (jedna z mo ných variant)
Obr. 4.15 Priebehy napätia a prúdu na komuta nom kondenzátore
Komuta né kondenzátory musia ma ve kú teplotnú stabilitu pri ve kom
reakta nom výkone, musí ma schopnos prená ve ký pi kový prúd a musí ma
malú vlastnú induk nos .
Strana 22
4.7 Základné zapojenia spínaných zdrojov
Zapojenia spínaných zdrojov sú v eobecne komplikované a pre ich znalos
je nutné pozna aj vnútorné zapojenie pecializovaných integrovaných obvodov,
ktoré sa v týchto zdrojoch pou ívajú. Ak odhliadneme od oblasti obvodov
spätnoväzbových stabilizácii, mo no spínané zdroje rozdeli pod a ich zapojenia
a funkcie do nieko ko základných skupín. Jednotlivé zapojenia sa obvykle rozli ujú
pod a spôsobu prenosu energie z primárnych obvodov do obvodov sekundárnych.
V tejto kapitole sa pokúsim o najzrozumite nej ie vysvetli princíp innosti
jednotlivých zapojení spolu s ich charakteristickými vlastnos ami.
4.7.1 Flyback (akumulujúce zapojenie)
Obr. 4.16 Konvertor typu Flyback tranzistor zopnutý
Obr. 4.17 Konvertor typu Flyback tranzistor rozopnutý
Strana 23
Ak te ie vstupným vinutím prúd, je sekundárne vinutie vzh adom k polarite
výstupnej diódy polarizované tak, e prúd nete ie. Celá energia je ulo ená
v magnetickom poli transformátora a a po ukon ení prúdu primárnym vinutím
za ína preteka prúd vinutím sekundárnym, obr. 4.16. Primárne vinutie, na ktorom
je napätie U1, je vinuté rovnakým smerom ako vinutie sekundárne s napätím U2.
Preto ak te ie prúd primárnym vinutím pri zopnutí tranzistora T, nemô e sú astne
tiec prúd vinutím sekundárnym – dióda D1 je polarizovaná v závernom smere. A
pri rozopnutí prúdu IC, obr. 4.17, sa naindukuje napätie U3 v opa nej polarite, dióda
DR je priepustná a vinutím preteká prúd. Týmto prúdom sa v sekundárnom vinutí
indukuje napätie U2, ktoré u je vhodnej polarity pre prechod prúdu usmer ovacou
diódou D1. Celý tento princíp vychádza z takej polarizácie výstupnej usmer ovacej
diódy a vzájomnej polarity primárneho a sekundárneho vinutia transformátora, kedy
pri prechode prúdu primárnym vinutím nemô e preteka prúd vinutím
sekundárnym. Pou itie rekupera nej diódy s pomocným tretím vinutím je teda
nevyhnutné. Pokia má toto tretie vinutie zhodný po et závitov ako vinutie
primárne (spínané tranzistorom), potom je indukované napätie práve dvojnásobné.
Cez nevýhodu al ieho vinutia a diódy je toto zapojenie pou ívané pre absenciu
problémov s jednosmerným sýtením jadra transformátora.
U tohto typu zapojenia je sekundárna cievka v sérii s výstupnou diódou,
kedy je elektrický prúd dodávaný do zá e, t. j. budený zo zdroja prúdu. Z tohto
vyplýva, e vo výstupnom obvode nie je potrebná filtra ná cievka. Preto ka dý
výstup vy aduje len jednu diódu a výstupný filtra ný kondenzátor. To znamená, e
flyback je ideálny pre vytvorenie viacnásobného výstupu nízkej ceny. Krí ová
regulácia, získaná pou itím viacnásobného výstupu (zmena zá e na jednom
výstupe málo ovplyv uje iné výstupy) je tie ve mi dobrá, preto e tu chýba
výstupná cievka, ktorá degraduje dynamickú charakteristiku. Flyback je tie ideálne
prispôsobený pre generovanie vysokonapä ových výstupov. Ak by sme pou ili na
generovanie vysokého napätia konvertor buck typu LC filter, potom by na zní enie
zvlnenia hladiny elektrického prúdu bola potrebná ve mi ve ká hodnota
induk nosti. Toto obmedzenie sa nevz ahuje na flyback, preto e ten pre úspe nú
innos nevy aduje výstupnú cievku.
V zapojení Flyback sa výstupný kondenzátor nabíja len po as doby, kedy je
tranzistor zatvorený. To znamená, e kondenzátor bude vyhladzova pulzujúci
Strana 24
výstupný prúd, ktorý má vy ie pi kové hodnoty ne súvislý výstupný prúd, ako to
je napríklad v konvertore typu forward. Za ú elom dosiahnu nízke výstupné
zvlnenie je potrebný ve mi ve ký výstupný kondenzátor s ve mi nízkym
ekvivalentným sériovým odporom. Je dokázané, e na tej istej frekvencii je LC
filter pribli ne 8x ú innej í v redukcii zvlnenia, ne samotný kondenzátor, preto
konvertory typu flyback majú ove a vy ie vlastné výstupné zvlnenie ne iné
topológie. Toto spolu s vy ími pi kami elektrického prúdu, ve kými
kondenzátormi a transformátormi obmedzuje pou itie flyback konvertora len pre
ni ie výkony.
4.7.2 Forward (priepustné zapojenie)
Obr. 4.18 Konvertor typu Forward
Forward konvertor je jednoduchá spínaná oddelená topológia a je
znázornená na obr. 4.18. Je zalo ená na buck konvertore, popísanom
v predchádzajúcich astiach, s prídavným transformátorom a al ou diódou vo
výstupnom obvode. V protiklade k flybacku, u forward konvertora je energia
prená aná priamo k výstupu cez induk nú cievku v priebehu zopnutia tranzistora.
Mô eme tie vidie , e polarita sekundárneho vinutia je obrátená ako u flybacku,
preto jednosmerný prúd prete ie cez blokovaciu diódu D1. V priebehu zopnutia tok
prúdu zaprí iní vytvorenie energie vo výstupnej cievke L1. Ke sa tranzistor
uzavrie, sekundárne napätie sa obráti, D1 potom prejde z vodivého re imu do
blokovacieho, D2 je potom polarizovaná v priamom smere a poskytuje cestu pre
Strana 25
pokra ovanie toku prúdu induktora. Toto umo ní, aby energia ulo ená v induktore
L1 bola uvo nená do zá e v ase uzavretého tranzistora. Forward konvertor v dy
pracuje v spojitom re ime (v tomto prípade výstupný prúd induktora), preto e tvorí
ve mi nízke pi ky vstupných a výstupných prúdov a malé zvlnenie sú iastok.
Prechod do nespojitého módu by prudko zvý il tieto hodnoty a tie by stále viac
stúpala hodnota umu vytváraného spínaním. Vo frekven nej odozve konvertora
forward pracujúceho v spojitom re ime sa nevyskytujú iadne destabilizujúce
nulové hladiny, ako pri type buck. Toto znamená, e tu nie sú iadne problémy
s riadením, ktoré napríklad existujú v spojitom Flybacku. Teda pou itie nespojitého
módu pre forward konvertor nepriná a nijaké výhody.
Obe diódy vo výstupnom obvode majú prená celú hodnotu výstupného
prúdu. Podliehajú tie prudkým zmenám elektrického prúdu zaprí ujúcim spätné
pi ky, hlavne v dióde D2. Tieto pi ky mô u zaprí ini al ie straty pri spínaní
v tranzistore, o mô e zaprí ini poruchu zariadenia. Teda k minimalizácii strát vo
vedení a k zmen eniu spätných pi iek sa po aduje ve mi vysoká ú innos a rýchle
diódy. Tieto po iadavky sp ajú Schottkyho diódy pre ve mi nízke výstupné
napätia pod 10V a FRED diódy pre vysoké výstupné napätia. Oby ajne sú oba
usmer ova e zahrnuté do jedného puzdra s duálnym stredným vývodom.
Aby sme predi li pou itiu vysokonapä ových tranzistorov, mô eme vo
forward konvertore pou verziu dvoch tranzistorov. Tento obvod, ktorý je
zobrazený na obr. 4.19, sa ve mi podobá na dvojtranzistorový flyback a má tie isté
výhody.
Obr. 4.19 Konvertor Forward s dvoma tranzistormi
Napätie na tranzistore je znova obmedzené na UIN, o umo uje pou
rýchlej ie, viac efektívnej ie 400V alebo 500V tranzistory pre 220V sie ové
Strana 26
aplikácie. Vynulovanie magnetizácie sa dosahuje cez dve záchytné diódy
umo ujúce odstránenie spätného vinutia. Dvojtranzistorová verzia je ob úbená
pre nezávislé aplikácie. Poskytuje vysoké výstupné výkony a rýchlej ie spínacie
frekvencie. Nevýhodami sú zasa prídavná cena vä ieho po tu sú iastok a potreba
oddelenej cesty pre vrchný tranzistor. Hoci tento konvertor má isté nedostatky a nie
moc efektívne vyu itie transformátora, je ve mi ob úbeným zapojením a poskytuje
jednoduchú cestu pre jednoduchý spína a lacné sú iastky. Výstupné cievky sú
be né vinuté na jednoduchých feritových jadrách, ktoré ak sú skon truované
správne, zmen ujú ve kos výstupného zvlnenia. Najvä ou výhodou forward
konvertora je ve mi nízke výstupné zvlnenie, ktoré mô eme dosiahnu pre relatívne
malé ve kosti prvkov LC. To spôsobuje, e forward konvertory sú be ne pou ívané
k výrobe ni ích napätí, vysokých prúdov a viacnásobných výstupov ako napríklad
5, 12, 15, 28 V.
V zapojení forward konvertora je prúd te úci cievkou L, ktorý je tie
výstupným prúdom, v dy spojitý. Ve kos zlo ky zvlnenia a odtia pi ky
sekundárneho prúdu závisia na ve kosti výstupnej cievky. Z tohto dôvodu mô e by
zvlnenie relatívne malé oproti výstupnému prúdu s minimálnymi pi kami
elektrického prúdu. Ke e zvlnenie je ve mi nízke a spojitý výstupný prúd je ve mi
jednoducho vyhladený, potom po iadavky na ve kos výstupného kondenzátora,
ekvivalentný sériový odpor a pi ky elektrického prúdu sú men ie, ne pre flyback.
Preto transformátor v tejto topológii transformuje energiu okam ite, tak je energia
nahromadená vo feritovom jadre zanedbate ná oproti flybacku. Av ak existuje tu
malá magnetiza ná energia po adovaná k budeniu feritového jadra. Toto znamená,
e vysoká primárna induk nos je oby ajne vyhovujúca a nepotrebujeme feritové
jadro so vzduchovou medzerou ako to po aduje flyback. tandardné feritové jadrá
bez medzery s vysokou permeabilitou (2000 – 3000) sú ideálne v prípade vysokej
po adovanej induk nosti. Nepatrná akumulovaná energia spôsobí, e transformátor
vo forward konvertore je podstatne men í, ne flyback a straty v jadre sú tie pre tú
istú prechodovú energiu omnoho men ie. Av ak transformátor je predsa len riadený
asymetricky, o spôsobí, e energia je prená aná len pri zopnutom stave a toto slabé
vyu itie spôsobí, e transformátor je stále aleko vä í, ne v symetrických typoch.
Tranzistory majú tú istú charakteristiku napätia, ako nespojitý flyback, ale pi kový
elektrický prúd po adovaný pre ten istý výstupný výkon je polovi ný. Toto, spolu
s malým transformátorom a po iadavkami na výstupný filtra ný kondenzátor
Strana 27
znamená, e konvertor forward je vhodný pre pou itie vo vy ích výstupných
výkonoch ne dosahuje flyback a je be ne navrhnutý pre vy ie výkony pribli ne
do 1200 W.
Preto e spínanie forward konvertora je unipolárne, vzniká tu ve ký problém, ako
odstráni magnetiza nú energiu feritového jadra, kým skon í ka dý spínací cyklus.
Ak by sme toto nespravili do lo by k nárastu toku jednosmerného prúdu, o by
viedlo ku saturácii jadra a k mo nej de trukcii tranzistora. Táto magnetiza ná
energia je odstránená automaticky funkciou push-pull symetrického typu. Vo
flybacku je táto energia nahromadená do zá e pri zatvorenom tranzistore. Av ak
v obvode typu forward takáto cesta nieje. Táto cesta sa poskytne pri pripojení
al ieho resetovacieho vinutia opa nej polarity ku primárnej asti. Záchytná dióda
je pridaná tak, e magnetiza ná energia je vrátená na vstup zdroja po as zatvorenia
tranzistora. Resetovacie vinutie je navinuté priamo s primárnou as ou na
zabezpe enie dobrej väzby a be ne sa vyrába s tým istým po tom závitov ako má
primárna as . (Rozmer drôtu resetovacieho vinutia mô e by ve mi malý, preto e
má vies len malý magnetiza ný elektrický prúd). as poklesu magnetiza nej
energie na nulu trvá to ko, ko ko je tranzistor otvorený. To spôsobí, e maximálna
strieda konvertora forward je 0,5 a potom musíme vzia do úvahy oneskorenie
spínania, toto sa blí i k 0,45. Tento limitovaný regula ný rozsah je jedným
z nedostatkov pou itia forward konvertora.
4.7.3 Push – pull (dvoj inné zapojenie)
Obr. 4.20 Konvertor typu Push pull
Strana 28
Na plné vyu itie kolísajúceho toku transformátora je nevyhnutné, aby tento bol
riadený symetricky. To nám umo ní pou transformátory omnoho men ích
rozmerov a taktie výstupný výkon je vy í. Symetrické typy po adujú v dy párny
po et spínacích tranzistorov. Jeden z najznámej ích symetrických typov je Push –
pull konvertor zobrazený na obr. 4.20.
Princíp tohto konvertora je rovnaký ako u dvoj inných zosil ova ov. Základnou
sú iastkou je symetrické primárne vinutie transformátora, kde ka dá jeho polovica
je budená samostatným tranzistorom. Výhodou je neprítomnos jednosmernej
zlo ky sýtenia jadra transformátora a alej nieje nutné pou íva rekupera né
vinutie a rekupera né diódy. S výhodou sa na sekundárnej strane pou íva
dvojcestné zapojenie usmer ova a (dvojcestný alebo mostík). Potom je výkon
prená aný priamo v ka dej polperióde jednou z diód akumulovane druhou.
innos takéhoto zapojenia je ve mi vysoká a pohybuje sa nad 80 %.
Ako je uvedené, Push – pull poskytuje ve mi kompaktný dizajn
transformátora a výstupného filtra, pokia vyrába ve mi nízke výstupné zvlnenie.
Tak e o sa týka ceny, Push – pull by mohol vyhovova . Riadenie Push – pull je
podobné forwardu v tom, e je zalo ené na súvislom re ime buck konvertora. Ke
sa uzavrie spätná väzba regula nej slu ky, vyvá enie je relatívne ahké. Pre
viacnásobný výstup sú dané tie isté odporú ania, ako pre forward konvertor.
Väzobné diódy sú umiestnené na druhej strane tranzistorov, ako je to znázornené na
obrázku. Toto umo ní únik a magnetiza ná energia je jednoducho vrátená spä do
zdroja, o zlep í ú innos . Emitor a zdroj energie tranzistora majú oba ten istý
potenciál v konfigurácii Push-pull a sú be né pripojené k zemi. To spôsobí, e
jednoduchá bázová cesta mô e by pou itá pre oboje a nepo aduje sa iadna drahá
odde ovacia cesta transformátorom. (Toto neplatí pre mostíkové typy, ktoré
preberieme neskôr).
Jeden z hlavných nedostatkov Push – pull konvertora je fakt, e ka dý
tranzistor musí uzavrie 2x vstupné napätie, o je spôsobené zdvojeným ú inkom
strednej odbo ky primárnej asti, aj ke jeden tranzistor je zatvorený a druhý je
vodivý. Ke sú oba vypnuté, ka dý potom blokuje zdroj napätia. To spôsobí
vysokú cenu. al í ve ký problém s push – pull je, e je poru ená rovnováha
symetrického toku. Ak tok kolí e, ka dý polovi ný cyklus nie je symetrický a to má
za následok nasýtenie transformátora, hlavne pre vysoké vstupné napätia. Poru enie
symetrie mô e vzniknú rozdielnymi charakteristikami oboch tranzistorov
Strana 29
a rozdielnymi stanovenými stratami. Zaradenie stredného vývodu tie spôsobuje, e
pre primárnu as je potrebný prídavok medi a k minimalizovaniu mo ných pi iek
je treba ve mi dobré spojenie uprostred dvoch polovíc.
4.7.4 Half - Bridge (mostíkové zapojenie – polomost)
Obr. 4.21 Konvertor typu Half Bridge
Zo v etkých symetrických vysoko výkonových konvertorov je konvertor
Half – Bridge, zobrazený na obr. 4.21, ob úbený najviac. Mô eme sa na pozera
ako na jednoduchý Push – pull konvertor a v princípe ide o symetrickú verziu
konvertora forward. Zasa ide o derivát buck konvertora. Half – Bridge má isté
ové výhody oproti Push – pull, kvôli ktorým sa uprednost uje pre pou itie vo
vysoko výkonových aplikáciách.
Tento typ obsahuje dva do série zapojené zdrojové kondenzátory C1 a C2,
ktoré poskytujú umelé vstupné napätie v strednom bode, ozna enom písmenom
A na obr. 4.21. Dva tranzistorové spína e sú budené striedavo, o znamená, e
kondenzátory sú pripájané k primárnemu vinutiu ka dú polperiódu. Energia je
prená aná priamo k výstupu v ase, kedy sú jednotlivé tranzistory vodivé
a maximálny pracovný cyklus, ktorý je k dispozícii, je 90 %. Priebehy napätí
a prúdov Half – Bridge sú identické s priebehmi Push – pull konvertora, okrem
napätia na tranzistore, ktoré je polovi né.
Preto e oba tranzistory sú ú inné v sérii, nikdy na nich nebude vä ie napätie, ako
je napätie vstupné. Ke sú oba tranzistory zatvorené, ich napätia sú v rovnová nom
stave. Toto predstavuje polovicu napä ovej charakteristiky Push-pull. To spôsobuje,
Strana 30
e Half – Bridge zvlá vyhovuje vysokým vstupným napätiam, o dovo uje prácu
na vy ích frekvenciách. Druhou ve kou výhodou pred Push-pull je, e problémy so
saturáciou transformátora spôsobené poru ením symetrie toku sú ahko
odstránite né. Pri pou ití malého kondenzátora (menej ne 10 F ) je ka dý
vzniknutý jednosmerný tok v transformátore blokovaný a na vstup sa dostane iba
súmerný striedavý tok. Konfigurácia Half – Bridge pripú a väzobné diódy pridané
na druhú stranu tranzistorov, znázornené ako D3 a D4 na obr. 4.21. Rozptylová
induk nos a magnetiza ná energia sú nahromadené priamo do dvoch vstupných
kondenzátorov, chrániacich tranzistory pred prierazom a zlep ujú celkovú ú innos .
Men ou výhodou Half - Bridge je, e dva sériové kondenzátory u existujú a táto
realizácia je ideálna pre zavedenie zdvojeného napä ového obvodu. Mostíkové
zapojenie má tie tie isté výhody cez jednoduché kone né rozmery ako Push-pull,
vrátane vynikajúceho vyu itia transformátora, ve mi nízke výstupné zvlnenie
a vysoký výstupný výkon. Obmedzujúcim faktorom maximálneho výstupného
výkonu dosiahnute ného zapojením Half – Bridge je pi kový prúd sú asných
tranzistorov. Pre vy ie výkony sa pou íva zapojenie so tyrmi spína mi ozna ené
ako Full - Bridge.
Potreba dvoch 50/60 Hz vstupných kondenzátorov je nedostatkom, preto e
majú ve kú hodnotu. Vrcholný tranzistor musí ma tie oddelenú cestu, preto e
hradlo/báza je v premenlivom potenciály. Jasne sa zvy uje cena a zlo itos obvodu.
4.7.5 Full – Bridge (mostíkové zapojenie – plný most)
Obr. 4.22 Konvertor typu Full Bridge
Strana 31
Full – Bridge konvertor znázornený na obr. 4.22 je vysoko výkonovou
verziou Half – Bridge a poskytuje najvy iu hladinu výstupných výkonov zo
etkých doteraz prebraných typov konvertorov. Maximálny elektrický prúd
výkonového tranzistora ur uje hornú hranicu výstupného výkonu Half – Bridge
konvertora. Táto úrove mô e by dvojnásobná pou itím konvertora Full – Bridge,
ktorý sa získa pripojením al ích dvoch tranzistorov a záchytných diód ku
konfigurácii Half – Bridge. Tranzistory sú budené striedavo v pároch T1 a T3,
potom T2 a T4. Primárna as transformátora je tu vystavená plnému vstupnému
napätiu. Hladiny prúdu oproti Half – Bridge sú delené pre stanovenú výkonovú
hladinu. Preto Full – Bridge bude zdvojova výstupný výkon Half – Bridge
pou itím tých istých typov tranzistorov. Sekundárny obvod pracuje na tom istom
princípe ako Push – pull a Half – Bridge, taktie produkuje ve mi nízke zvlnenie
výstupu na ve mi vysokých hladinách prúdu. Z tohto dôvodu sú priebehy napätí
a prúdov identické ako u Half – Bridge, na napätie primárnej asti, ktoré je
inne zdvojnásobené.
Ako je uvedené Full – Bridge je ideálny pre výrobu ve mi vysokej hladiny
výstupného výkonu. Prírastok obvodu, zlo itos spôsobuje, e Full – Bridge je
vhodný pre aplikácie výstupných výkonov kW a vy ie. Pre také vysoké
po iadavky na výkon kon trukcie sa asto vyberajú výkonové Darlingtonové
tranzistory, preto e ich horná hranica prúdu a charakteristika spínania zabezpe ujú
al í prídavný výkon. Full – Bridge má tie výhodu, e je potrebný len jeden
vyhladzovací kondenzátor oproti dvom pre Half – Bridge, o etrí miesto. Má aj
al ie ve ké výhody, ktoré sú také isté ako pre Half - Bridge.
4.8 Impulzová írková modulácia
Tento spôsob riadenia spínaného zdroja (v angli tine ozna ovaný ako
PWM = Pulse width modulated) vychádza z porovnávania chybového napätia,
odvodeného z napätia výstupného, s napätím interného oscilátora (obvykle
s pílovým výstupným napätím), obr. 4.23. Zo vstupného napätia je najskôr
odvodzované referen né napätie Uref, privádzané na neinvertujúci vstup zosil ova a
chybového napätia OZ. Na invertujúci vstup toho istého zosil ova a OZ je
Strana 32
privedené vydelené výstupné napätie Uout (nemo no privies plné napätie, preto e
dy platí Uref < UIN ).
Opera ný zosil ova zosiluje odchýlku takto vydelenej asti výstupného napätia od
napätia referen ného a získavame tak analógový signál Uerr . Tento signál potom
porovnávame na komparátore s pílovitým napätím Uosc , ktoré je interne vyrábané
generátorom s ozna ením OSC.
Obr. 4.23 Zapojenie zdroja s impulzovou írkovou moduláciou
Obr. 4.24 Priebehy napätia v zdroji s impulzovou írkovou moduláciou
Výsledkom tohto porovnávania je signál, ktorým je ovládaný spína S, obr. 4.24.
výstup komparátora preklápa tak, e ak je pílové napätie oscilátora vy ie ako
napätie chybové, potom dáva povel – zopni spína S, tj. signál má hodnotu logickej
jedni ky H. Táto logická jedni ka trvá tak dlho, ne sa cez zopnutý spína
S a tlmivku L nezvý i výstupné napätie Uout nato ko, e napätie na odbo ke deli a
R2 - R 1 vzrastie nad hodnotu Uref .
potom komparátor preklápa spä na hodnotu logickej nuly (L) a spína
S rozopína. Tým zdroj priebe ne reaguje na okam itý stav napätia na výstupe
a kondenzátor C je dobíjaní práve na potrebnú hodnotu napätia Uout . Výhoda
proporcionálneho dobíjania kondenzátora C pod a okam itého poklesu napätia na
Strana 33
om je v ak spojená s iasto nou nevýhodou, ktorou je tvar signálu UPWM . Tento
signál má nielen premenlivú frekvenciu, ale aj striedu, tak e následná filtrácia LC
lenom je rôzne ú inná a na výstupe sa mô u objavova zvlnenia, ktorých hodnoty
nemo no dopredu odhadnú – závisia na kolísaní zá e.
5. NÁVRH OPTIMÁLNEHO RIE ENIA
SPÍNANÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA
V tejto kapitole sa u budem zaobera konkrétnym praktickým návrhom spínaného
napájacieho zdroja. Základné po iadavky, ktoré sú kladené na spínaný zdroj, sú:
• napájanie zo siete 230 V / 50 Hz
• výstupné napätie 120 V
• výstupný prúd 10 A
• nízka úrove výstupného zvlnenia
• spektrálna istota v príslu nom frekven nom pásme
Ke e spínaný zdroj predstavuje dos komplikované zapojenie, pri jeho návrhu
som spolupracoval s firmou ELTECO, so sídlom v iline, konkrétne s Úsekom
vývoja a výskumu. Pri tomto návrhu som vychádzal zo základného blokového
zapojenia spínaného zdroja. Preto celé navrhnuté rie enie je mo né rozdeli na
viacero astí, ktorých innos vysvetlím neskôr. Niektoré z týchto astí som navrhol
samostatne, no sú tu aj asti, ktoré som musel konzultova s hore uvedenou firmou.
K dispozícii som mal schému u existujúceho zapojenia podobného spínaného
zdroja, ktorú bolo potrebné upravi a v niektorých astiach celkom prerobi . Toto
prerobenie sa týkalo najmä vstupného napájania spínaného zdroja, napájania
jednotlivých riadiacich integrovaných obvodov a taktie výstupnej filtrácie.
Nemenej dôle itou as ou bol aj výpo et transformátora spínaného zdroja, ktorý
musel ma presne definovaný po et závitov na primárnej a sekundárnej strane.
o sa týka samotnej topológie spínaného zdroja, zvolil som si zapojenie typu
Forward, e priepustný meni , ktorého innos ou a charakteristickými
vlastnos ami som sa zaoberal v kapitole 4.7.2.
Strana 34
V nasledujúcich astiach sa u budem zaobera podrobným rozborom konkrétneho
navrhnutého rie enia, ktoré je uvedené v prílohe . Jednotlivé asti sú rozdelené
pod a blokovej schémy, znázornenej na obr. 4.1. V nasledujúcich statiach sa
pokúsim vysvetli význam týchto astí pre spínaný zdroj a taktie uká em, ako
jednotlivé asti prakticky vyzerajú.
5.1 Schéma zapojenia spínaného zdroja
5.1.1 Vstupný usmer ova
Obr. 5.1 Vstupný usmer ova
Spínaný zdroj je zariadenie, ktoré mení vstupné jednosmerné napätie na iné
výstupné jednosmerné napätie. Ke e navrhnutý spínaný zdroj má by napájaný
priamo zo siete, kde je napätie striedavé, musíme najskôr toto napätie usmerni .
Toto vykonáva vstupný usmer ova , ktorý je znázornený na obr. 5.1. pod
ozna ením D1. Ide o ve mi dobre známi Greatzov mostík. V navrhnutom zapojení
som zvolil typ mostíka ozna ený ako
KBPC 3510, ktorý je schopný usmerni napätie do 1000 V a prúd do 35 A.
Na obr. 5.1 je vidno, e vstupné sie ové napätie je pripojené k vstupnému
usmer ova u cez poistku FU1 a termistory RN1 a RN2. Poistka, ktorá chráni
spínaný zdroj pred skratom, má ozna enie T 10A, e sa jedná o pomalú poistku,
ktorá znesie prúd do 10 A. Termistory RN1 a RN2 slú ia na obmedzenie
nabíjacieho prúdu vstupných filtra ných kondenzátorov. Ich prítomnos je ve mi
dôle itá, preto e v momente pripojenia zdroja ku sieti predstavuje ve ká vstupná
kapacita pre usmernený prúd skrat do zeme.
Strana 35
5.1.2 Vstupný filter
Obr. 5.2 Vstupný filter
Po usmernení vstupného napätia je potrebné, aby bolo dôkladne vyhladené
jeho zbytkové zvlnenie vstupným filtrom. Tento filter musí by dostato ne ú inný
na sie ovej frekvencii 50Hz. Taktie musíme zabezpe odstránenie vy ích
harmonických vstupného napätia, ktoré vznikajú po usmernení. Na vyhladenie
napätia som pou il es kondenzátorov s hodnotou 330 F / 450 V, ozna ených na
obr. 5.2 ako C3A a C3F, e výsledná kapacita je 1980 F, o zabezpe í ve mi
dobré vyhladenie. Zárove tieto kondenzátory slú ia aj ako akumula né a sú
periodicky nabíjané a vybíjané impulzným prúdom, ktorého maximálna hodnota
zna ne prevy uje efektívnu hodnotu. Na obrázku je aj kondenzátor C2, ktorého
ve kos je 100 nF, slú iaci na odstránenie u spomínaných vy ích harmonických.
5.1.3 Spína
Aby sme mohli vstupné jednosmerné napätie transformova , je nutné
previes ho na striedavý tvar. V mojom návrhu sa toto realizuje pomocou dvoch
spínacích tranzistorov typu HGTG 12N60A4D, o sú MOSFET tranzistory so
spínacím prúdom do 54 A a napätím do 600 V. Tieto parametre sú posta ujúce na
spínanie usmerneného sie ového napätia. Sú as ou spína a sú tzv. Bootstrapové
diódy, ktorých funkciu si vysvetlíme neskôr. Na výstupe tohto spína a získame
obd nikový priebeh, ktorý je alej spracovávaný.
Strana 36
Obr. 5.3 Spína
5.1.4 Transformátor
Vlastná transformácia ve kosti napätia prebieha na transformátore, obr. 5.4.
V mojom návrhu som pou il transformátor, ktorý obsahuje dve primárne a jedno
sekundárne vinutie. Tento transformátor je vyhotovený tak, e najskôr sa navinie
prvá as primárneho vinutia, následne sekundárne vinutie a nakoniec druhá as
primáru. Takýto spôsob navinutia transformátora zabezpe í jeho ve mi dobrú
väzbu. Transformátor v tomto zapojení obsahuje na primáry 2 x 18 závitov a na
sekundáry je 32 závitov drôtu o priemere 1.6 mm. Jadro, ktoré som pou il, je
feritové, bez medzery a je tandardizované. Jeho typové ozna enie je ETD 59.
Obr. 5.4 Transformátor
Strana 37
5.1.5 Výstupný usmer ova
Obr. 5.5 Výstupný usmer ova
Striedavé napätie získané zo sekundárneho vinutia transformátora je treba
opätovne usmerni . K tomuto slú i výstupný usmer ova , zobrazený na obr. 5.5.
Na diódy pou ité v tomto usmer ova i sú kladené vysoké po iadavky, preto e
musia vykazova usmer ovací efekt na pracovnej frekvencii spínaného zdroja, o je
v tomto prípade
55 kHz. Znamená to, e musia ma malú kapacitu prechodu a malú spínaciu
a vypínaciu dobu. V mojom návrhu som pou il dve dvojkanálové diódy typu FEP
30 GP, ozna ené ako VD8 a VD9, ktoré doká u usmerni napätia do 400 V a prúdy
do 35 A. Z obr. 5.5 je vidno, e paralelne k týmto diódam sú pripojené sériové
ochranné RC leny, tvorené prvkami R29, R30, C26 a C31. Tieto leny majú za
úlohu utlmi prepä ové pice, ktoré sa pri spínaní vytvárajú. Tieto pice mô u
presahova aj 400 voltovú hranicu, o by mohlo vies k de trukcii diód.
5.1.6 Výstupný filter
Obr. 5.6 Výstupný filter
Na výstupný filter u nie sú kladené také ve ké po iadavky, preto e pracuje
na vysokej frekvencii a jeho filtra né ú inky na tejto frekvencii sú vynikajúce.
V tomto zdroji je výstupný filter tvorený prvkami C32, C34, C35, C36, C38, C39,
Strana 38
C40 a L5, ako to mô eme vidie z obr. 5.6. Tento filter má podobne ako vstupný
zabezpe , aby zvlnenie výstupného napätia bolo minimálne a aby sa na výstupe
neobjavili nejaké ru ivé vy ie harmonické. Celý filter predstavuje zapojenie typu
LC. Cievka, ktorá je tu zapojená sa nazýva diferenciálna tlmivka a má za úlohu
potla parazitné vy ie harmonické frekvencie.
V zapojení na obr. 5.6 sa na výstupe nachádza e te rezistor R31. Tento predstavuje
malé za enie, ktoré je potrebné na to, aby bola napä ová slu ka v spätnej väzbe
pri neza enom zdroji stabilná, e aby sa nerozkmitala.
5.1.7 Spätná väzba
Ka dý spínaný zdroj je riadený spätnou väzbou. Táto sníma ve kos
výstupného napätia, prípadne výstupného prúdu a pomocou riadiacej logiky riadi
spínanie spínacích tranzistorov. Tým sa dosiahne stabilná hodnota jednosmerného
napätia na výstupe zdroja.
Spätná väzba v tomto návrhu sa skladá z troch astí. Prvú z nich mô eme vidie na
obr. 5.7.
Obr. 5.7 Prvá as spätnej väzby
Základným prvkom tohto zapojenia je obvod TL 431, ozna ený na obr. 5.7 ako
NL3. Ide o tzv. nastavite ný precízny regulátor. Tento regulátor obsahuje tri
vývody, a to anódu (A), katódu (K) a referenciu (REF). V prípade, ak na vývod
Strana 39
ozna ený ako REF privedieme napätie minimálne 2.5 V, prechod anóda – katóda sa
stane vodivým. V inom prípade je tento prechod uzatvorený.
Výstupné napätie privádzame priamo do napä ového deli a, pozostávajúceho
z prvkov R26, R27, R28 a RP1. Ak pomocou trimra RP1 na výstupe deli a, e na
referencii, nastavíme hodnotu napätia minimálne 2.5 V, prechod A – K sa stane
vodivým, o znamená, e opto len UF1, napájaný z výstupu zdroja, sa rozsvieti,
ím sa spustí samotná regulácia výstupného napätia. Znamená to, e trimrom RP1
mô eme nastavova hodnotu výstupného napätia v ur itých hraniciach. Zárove
nám opto len zabezpe í galvanické oddelenie výstupného obvodu od vstupného.
Zapojenie obsahuje e te RC lánok, tvorený prvkami C20 a R24. Zmenou týchto
prvkov dosiahneme stabilizáciu napä ovej slu ky, e pri správnej kombinácii
odporu a kapacity dosiahneme na výstupe kon tantné napätie.
Druhou as ou spätnoväzobnej slu ky je samotný PWM regulátor. Ten mô eme
vidie na obr. 5.8.
Obr. 5.8 PWM regulátor UC 3845
Snímané napätie z opto lena, ktorého ve kos závisí na odpore prechodu kolektor –
emitor, privádzame na vstup PWM regulátora VFB. Toto napätie sa v chybovom
zosil ova i porovnáva s referen ným napätím 2.5 V, ktoré si generuje regulátor
sám. Výsledkom je ur ité chybové napätie, ktoré sa potom zasa porovnáva
v komparátore s pílovitým napätím, ktoré si za pomoci prvkov R14 a C18
vygeneruje regulátor. Výsledkom tohto porovnávania je signál PWM, ktorý riadi
Strana 40
spínanie tranzistorov v spínanom zdroji. Tento signál sa nachádza na výstupe PWM
regulátora ozna enom ako OUT a mô eme ho vidie na obr. 4.24. Ve kos
zosilnenia chybového zosil ova a je nastavená pomocou rezistorov R15, R16, R17
a R18.
Na konci spätnoväzobnej slu ky sa nachádza integrovaný obvod IR 2110, ozna ený
ako NL1. Tento obvod sa nazýva driver. Keby sme mali spínaný zdroj s jedným
tranzistorom, pripojili by sme výstup PWM regulátora priamo na jeho bázu.
V tomto zapojení sú v ak tranzistory dva, preto treba zabezpe riedenie oboch
zvlá . A práve na tento ú el nám slú i spomínaný integrovaný obvod. Ten si
mô eme pozrie na obr. 5.9.
Obr. 5.9 Driver IR 2110 v spojení s tranzistormi
Výstupné impulzy z drivera sú privedené cez rezistory R3 a R6 na bázy spínacíchtranzistorov, ktorých d ka dôb zopnutia a vypnutia závisí na tvare privádzanýchimpulzov..
5.1.8 Napájanie obvodov jednosmerným napätím
V návrhu spínaného zdroja sú pou ité dva integrované obvody, a to UC 3845 a IR
2110. Oba tieto obvody pre svoju správnu innos vy adujú jednosmerné napájanie
+ 15 V. Okrem nich sa v zapojení nachádza aj tzv. bootstrapový kondenzátor C6,
znázornený na obr. 5.9, na ktorom musíme takisto zabezpe jednosmerné napätie,
Strana 41
ktorým bude tento kondenzátor dobíjaný. Jednosmerné napätie musíme taktie
zabezpe aj na anóde opto lena, ktorý bude týmto napätím rozsvecovaný.
Napájanie oboch integrovaných obvodov a bootstrapového kondenzátora som
vyrie il pridaním al ích dvoch lineárnych zdrojov do celkového zapojenia. Prvý
zdroj som pou il na napájanie regulátora UC 3845 a drivera IR 2110. Druhý zasa
napája bootstrapový kondenzátor C6. Oba tieto zdroje sú nízko výkonové, preto e
je tu potebný len malý prúd. Sú rie ené pomocou jedného transformátora, ktorý má
dve sekundárne vinutia. Výkon ka dého z nich je 2.5 W. Ka dé vinutie má vlastný
usmer ova (D2, D3), stabilizátor (NL5, NL6) a taktie filter (C8, C9, C10, C21,
C22, C23). Zapojenie týchto zdrojov si mô eme pozrie na obr. 5.10.
Obr. 5.10 Lineárne napájacie zdroje integrovaných obvodov a bootstrapového
kondenzátora
Posledným prvkom, ktorý vy aduje napájanie je u spomínaný opto len. Tento je
v mojom návrhu napájaný priamo z výstupného napätia cez rezistor R40. Toto
zapojenie je znázornené na obr. 5.7.
5.1.9 Popis innosti celkového zapojenia spínaného zdroja
Ke e sme u rozobrali jednotlivé asti zapojenia, mô eme si vysvetli , ako
pracuje celkové zapojenie spínaného zdroja, ktoré je zobrazené v prílohe .
Vstupné striedavé napätie sa privádza na vstupný usmer ova D1 cez poistku FU1
a termistrory RN1 a RN2. Na výstupe usmer ova a získavame jednosmerné
napätie, ktoré má ale ve ké zvlnenie a obsahuje vy ie harmonické. Na odstránenie
Strana 42
týchto dvoch nepriaznivých javov sa pou ije vstupný filter, podrobne zobrazený na
obr. 5.2. Takéto vyfiltrované napätie je privedené na spínacie tranzistory VT1
a VT2. V prípade, ak sú tieto tranzistory otvorené, za ne nimi preteka prúd cestou
VT1 – primár T1 – VT2 – R8, R9 – zem. V tomto momente sa vybíja kondenzátor
C6, ktorý sa dobíjal po as zatvorenia tranzistorov. Diódy VD4 a VD5 sú
polarizované v závernom smere a teda sú zatvorené. Napätie z primárneho vinutia
sa pretransformuje na vinutie sekundárne. Dióda VD8 je polarizovaná
v priepustnom smere, e za ne ou preteka prúd, ktorý pokra uje cez tlmivky L3
a L5 a do zá e. Zárove sa ním nabíjajú výstupné kondenzátory. Ke sa
tranzistory VT1 a VT2 zatvoria, situácia sa zmení. Rýchlej ie vybitie hradla
tranzistora nám zabezpe ia diódy VD2 a VD6, ktoré menia strmos vybíjania tohto
hradla. Po uzatvorení tranzistorov sa za ne kondenzátor C6 opä nabíja
z pomocného lineárneho zdroja. Napätie na transformátore zmení svoj smer a diódy
VD4 a VD5 za nú vies prúd, preto e vplyvom vzniknutého zákmitu sa na ich
katódach vytvorí zápornej í potenciál ako je na zemi. Vplyvom zmeny polarity
napätia sa dióda VD8 uzatvorí a otvorí sa dióda VD9, cez ktorú sa vybíjajú
výstupné kondenzátory do zá e. Na zabezpe enie kon tantného napätia na
výstupe je v tomto obvode pou itá spätná väzba. Presná hodnota výstupného
napätia sa nastaví prostredníctvom trimra RP1. Zmenou jeho odporu dosiahneme
zmenu ve kosti napätia na referencii obvodu NL3. Ak je toto napätie vä ie ako 2,5
V, spustí sa regulácia rozsvietením opto lena UF1. Zmeny výstupného napätia sa
snímajú obvodom NL2. Ten porovnáva toto napätie s referen ným a vytvára tak
chybový signál. Po komparácii tohto signálu s pílovitým priebehom sa vytvára na
výstupe obvodu NL2 riadiaci PWM signál, ktorý privádzame do obvodu IR 2110.
Tento vytvorí dva signály, ktoré riadia spínanie tranzistorov. Ak by sme odpojili
reguláciu, obvod by pracoval do maximálnej striedy, e doba zopnutia by sa
rovnala dobe vypnutia. Takto by bol na výstupe maximálny výkon, aký doká e
zdroj vyrobi . Tým e meníme as, kedy je tranzistor otvorený, resp. zatvorený,
meníme aj ve kos napätia na výstupe, ím tu udr iavame kon tantnú hodnotu.
Tento zdroj obsahuje e te rezistory R8 a R9, zapojené medzi emitorom VT2
a zemou. Ide o odporové drôty, na ktorých po as pretekania prúdu vzniká ur itý
úbytok napätia. Tento je snímaný cez rezistor R10 obvodom NL2 a privádza sa na
jeho vstup ISENSE. Ak by tento úbytok prekro il povolenú hranicu, celý meni by
sa zablokoval.
Strana 43
5.2 Návrh dosky plo ných spojov
Po dokon ení kompletného návrhu zapojenia spínaného zdroja a zaobstarania
etkých sú iastok som pre iel k návrhu plo ného spoja. Tento som realizoval
v programe ORCAD 9.0, ktorý sa skladá z dvoch hlavných astí. Prvou as ou je
tzv. CAPTURE (Pozri prílohu .). Tento podprogram slú i na nakreslenie
kompletného schematického zapojenia spínaného zdroja. Obsahuje rôzne kni nice
sú iastok, z ktorých sa jednotlivé sú iastky vyberajú a vkladajú do schémy.
V prípade ak sa nejaká elektronická sú iastka v kni niciach nenachádza, je tu
mo nos vytvorenia vlastnej sú iastky ubovolného typu. Ve mi dôle itou sú as ou
ka dej elektronickej sú iastky zakreslenej v schéme je nadefinovanie jej puzdra.
Konkrétne typy puzdier nájdeme v druhom podprograme s názvom LAYOUT
(Pozri prílohu .). Ke e v mojom zapojení som mal niektoré sú iastky, ako
napríklad tlmivky, transformátor a podobne, ktoré nemajú tandardné puzdra, musel
som si ich nakresli . Na toto slú i prostredie LIBRARY MANAGER (Pozri
prílohu .), v ktorom sa dajú nadefinova ubovolné tvary puzdier. Ke mala ka dá
sú iastka svoje puzdro, program ORCAD vygeneroval v prostredí CAPTURE tzv.
NETLIST, ktorý je na ítaný podprogramom LAYOUT a na základe ktorého sa
za ína bu ru ný alebo automatický návrh dosky plo ných spojov.
Pri samotnom návrhu treba dodr ur ité konkrétne návrhové pravidlá. Tieto
pravidlá sa týkajú jednak rozmiestnenia sú iastok, írky a d ky cesti iek na
plo nom spoji, e aby bola zachovaná elektromagnetická kompatibilita celého
zariadenia.
Prvou po iadavkou pri návrhu plo ného spoja bola írka ciest. I lo o tzv. výkonovú
cestu. Táto cesta za ína vstupnými svorkami, pokra uje vstupným usmer ova om,
vstupnými filtra nými kondenzátormi, prechodmi kolektor – emitor oboch
tranzistorov, diódami VD4 a VD5, transformátorom a kon í a na zemi. Práve na
tejto ceste te ú tie najvä ie prúdy, ktoré sú odoberané zo vstupných kondenzátorov
a následne sú spínané tranzistormi. Takisto museli by dostato ne iroké aj spoje za
transformátorom a k výstupu zdroja, kam je sústredená celá energia. S týmito
cestami súvisela aj ich d ka. Spoje museli by dostato ne iroké a nie príli dlhé.
Aby boli spoje dostato ne krátke, museli by sú iastky, nachádzajúce sa na týchto
Strana 44
spojoch blízko u seba. I lo najmä o elektrolytické kondenzátory, ktoré majú dos
ve ké rozmery.
al ou po iadavkou bolo umiestnenie asti plo ného spoja, kde sa vyskytovalo
sie ové striedavé napätie, do bezpe nej vzdialenosti od integrovaných obvodov
a ich okolia, aby sa v nich neindukovali rôzne ru iace signály. Práve toto ru enie by
mohlo spôsobi nestabilitu, ba aj nefunk nos spínaného zdroja. S takýmto ru ením
súvisí aj umiestnenie drivera IR 2110 a PWM regulátora UC 3845 o najbli ie ku
spínacím tranzistorom. Podobne aj napájania integrovaných obvodov sa museli
vies samostatne, aby sa navzájom neru ili. V neposlednom rade bolo treba
zabezpe rozmiestnenie spínacích tranzistorov a výkonových diód tak, aby ich
bolo mo né upevni na chladi . V mojom návrhu som tieto sú iastky rozmiestnil
tak, aby sa dali upevni na spolo ný chladi . Preto sú umiestnené zo spodnej asti
plo ného spoja.
Kompletný návrh plo ného spoja je zobrazený v prílohách . . Ide o obojstranný
plo ný spoj, ktorý zna ne etrí miesto. Tento plo ný spoj som si dal vyrobi vo
firme VÚVT Engineering, sídliacej v iline. Ke e sa jedná o obojstrannú dosku,
ka dý otvor v tejto doske obsahuje prekovenie, aby sa zabezpe ilo dostato né
spojenie oboch strán plo ného spoja. Jednotlivé elektronické sú iastky, pou ité
v tomto zdroji, som osadil samostatne pomocou mikropájky o výkone 7,5 W.
aka takémuto nízkemu výkonu sa minimalizovala mo nos tepelného
po kodenia sú iastok pri osádzaní. Elektronické sú iastky sú vývodové, okrem
integrovaného obvodu IR 2110 a diód VD1, VD2, VD6 a VD7, ktoré sú v SMD
prevedení. Kompletne osadený plo ný spoj spolu s chladi om je zobrazený
v prílohách . taktie zoznam pou itých sú iastok sa nachádza v prílohe .
Strana 45
6. VÝSLEDKY SIMULÁCIÍ A PRAKTICKÝCH
MERANÍPo zostavení a o ivení napájacieho zdroja som pristúpil k praktickým
meraniam. E te pred meraním skuto ných priebehov na spínanom zdroji som si
najskôr pripravil programové prostredie pre simuláciu tohto zdroja. Vyu il som na
to program ORCAD 10, ktorého sú as ou je aj program CAPTURE CIS. Tento je
ur ený pre simulácie elektronických obvodov. Simulovanie v tomto programe je
podobné ako meranie priebehov pomocou osciloskopickej sondy. V tomto prípade
je sonda virtuálna a mô eme ju ,, pripoji “ na ubovolné miesto v nami zakreslenej
schéme. Najdôle itej ia vec pri simulácii je správne nastavenie parametrov
jednotlivých komponentov. Medzi tieto parametre patria napríklad odpor
kondenzátorov a odpor vinutí transformátora, rozptylové induk nosti
transformátora, induk nosti primárneho a sekundárneho vinutia, ve kos
napájacieho napätia a mnoho al ích. Treba si v ak uvedomi , e samotná
simulácia nemá nikdy presne také parametre, ako reálny zdroj, preto e ten obsahuje
ve a al ích sú iastok a taktie vplyv tvarov ciest na doske plo ného spoja nieje
zanedbate ný.
Ku praktickým meraniam som mal k dispozícii dva osciloskopy, a to analógový
LECROY 9304 a digitálny IWATSU DS – 8822. Ke e som potreboval nejako
zaznamena výsledky meraní, pou il som osciloskop digitálny, ktorý umo oval
archiváciu nameraných dát na pamä ovú kartu. Tieto sa dali opätovne vyvola ,
prípadne zaznamena do PC ako obrázky formátu TIF.
Teraz u pristúpme k samotným meraniam. Ako prvé pri praktických meraniach
som si skontroloval priebehy na PWM regulátore. Z teórie vyplýva, e ak regulátor
nereguluje, jeho výstupné impulzy musia ma amplitúdu napájacieho napätia
regulátora a ten musí pracova do plnej striedy. To znamená, e doba zopnutia musí
by taká istá, ako doba vypnutia. Okrem týchto výstupných impulzov má tento
regulátor vyvedený pílovitý signál. Je nesmierne dôle ité, aby tento nebol ru ený,
inak by celá regulácia bola nespo ahlivá. Na nasledujúcich obrázkoch sú uvedené
priebehy týchto dvoch signálov, aké som nameral prostredníctvom digitálneho
osciloskopu.
Strana 46
Obr. 6.1 Priebeh napätia z výstupu PWM regulátora bez regulácie
Z priebehu výstupného napätia PWM regulátora vidíme, e amplitúda impulzov je
15 V a doba vypnutia je pribli ne zhodná s dobou zapnutia. V takomto re ime by
spínaný zdroj pracoval do maximálneho výkonu. Frekvencia týchto impulzov je
50.37kHz., e touto frekvenciou sú riadené spínacie tranzistory.
Obr. 6.2 Pílovitý signál generovaný PWM regulátorom
Na obr. 6.2 je nameraný skuto ný pílovitý priebeh napätia v PWM
regulátore. Z priebehu je vidno, e na om nevzniká nijaké ve ké ru enie.
Priebehy na obr. 6.1 a obr. 6.2 sú základným predpokladom správnej regulácie.
Teraz si zmeriame priebehy napätí na niektorých výkonových prvkoch
a porovnáme ich s priebehmi zo simulácií. Tieto merania som previedol pri
Strana 47
za ení zdroja pribli ne 1 kW. Dôle ité je, aby sa namerané a odsimulované
priebehy aspo pribli ne zhodovali, ke e simulácie nemusia by úplne presné.
Ako prvé si zmeriame napätie na tranzistore VT2. Z teoretického h adiska vyplýva,
e ak je vstupné napätie 230 V, potom na ka dom z tranzistorov by mala by
maximálna hodnota tohto napätia, e pribli ne 325 V. Teraz si u pozrime dané
priebehy.
Obr. 6.3 Odsimulovaný priebeh napätia na tranzistore VT2
Obr. 6.4 Nameraný priebeh napätia na tranzistore VT2
Ke si porovnáme priebehy na obr. 6.3 a na obr. 6.4, zistíme, e tieto sú takmer
identické. Amplitúda simulovaného priebehu je 325 V, amplitúda nameraného
priebehu je zasa 324 V, o sa zhoduje aj s teóriou. Taktie frekvencia nameraného
Strana 48
priebehu je 50.36 kHz. Ke si od ítame asovú os simulovaného priebehu, zistíme,
e perióda je 0.02 ms, o predstavuje frekvenciu 50 kHz.
al ími zaujímavými priebehmi sú primárne a sekundárne napätia na
transformátore. Z teoretického h adiska by malo by primárne napätie o nie o
vä ie, ako sekundárne. Taktie by mali by tieto napätia vo fáze. i to tak je, o tom
sa presved íme na nasledujúcich obrázkoch.
Obr. 6.5 Priebeh simulovaného primárneho ( ervený priebeh) a sekundárneho
(zelený priebeh) napätia transformátora
Obr. 6.6 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora
(meranie amplitúdy primáru)
Strana 49
Obr. 6.7 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora
(meranie amplitúdy sekundáru)
Na obr. 6.5 mô eme vidie odsimulovaný priebeh oboch napätí transformátora.
Vidíme, e obe sú vo fáze. Frekvencia je opä 50 kHz a amplitúda primáru je
pribli ne 630 V, amplitúda sekundáru zasa 540 V. Skuto né priebehy sú zobrazené
na obr. 6.6 a 6.7. e reálne primárne napätie je 620 V a reálne sekundárne napätie
je 532 V. Na týchto priebehoch si mô eme v imnú aj prepä ové pi ky, ktoré
vznikajú v dôsledku spínania.
Teraz si mô eme skontrolova napätie na dióde VD9. Ide o výstupnú
usmer ovaciu diódu, ktorá je dimenzovaná na napätie 400V. Preto je dôle ité
skontrolova úrove prepä ových pi iek, ktoré ak by boli príli ve ké, mohli by
danú dióda zni . Odsimulované a reálne priebehy sú následovné.
Obr. 6.8 Reálny priebeh napätia na dióde VD9
Strana 50
Obr. 6.9 Simulovaný priebeh napätia na dióde VD9
Z obr. 6.9 vidíme, e simuláciou sme namerali úrove pi kového napätia pribli ne
315 V. Úrove reálnych pi iek zmeraná pomocou osciloskopu je 324 V. I ke je
toto napätie nepriaznivej ie, ako v simulácii, e te stále predstavuje bezpe nú
hodnotu pi kového napätia pre VD9.
Teraz si mô eme zmera a odsimulova priebeh napätia na výstupnej
tlmivke L3.
Obr. 6.10 Priebeh odsimulovaného napätia na tlmivke L3
Strana 51
Obr. 6.11 reálny priebeh napätia na tlmivke L3
Ke si porovnáme priebehy na tlmivke L3, zistíme, e simulovaný priebeh má
amplitúdu pribli ne 280 V a skuto ná hodnota je 276 V, o je minimálny rozdiel.
al ou veli inou, ktorú si zobrazíme, bude kolektorový prúd tranzistora
VT2. Tento prúd sa mi v ak nepodarilo prakticky odmera , preto som ho aspo
odsimuloval v ORCADE. Výsledkom bol priebeh na obr. 6.12.
Obr. 6.12 Odsimulovaný priebeh kolektorového prúdu tranzistora VT2
Z priebehu 6.12 vidíme, e výstupný prúd je pribli ne 9.4 A. Druhou veli inou,
ktorá sa mi nepodarila zmera osciloskopom bolo výstupné zvlnenie. Toto bolo
v skuto nosti ve mi malé, o o sa postaral ve mi kvalitný výstupný filter.
Výsledkom simulácie zvlnenia je priebeh 6.13.
Strana 52
Obr. 6.13 Simulácia zvlnenia výstupného napätia
Ke si prezrieme jednotlivé namerané aj odsimulované priebehy, mô eme
poveda , e sa a na minimálne detaily zhodujú. Malé rozdiely sú spôsobené hlavne
tým, e spínaný zdroj je zlo ité zariadenie, ktoré obsahuje ve ké mno stvo
sú iastok, na rozdiel od simula ného programu, do ktorého sa zadávajú iba niektoré
sú iastky a niektoré asti tam absentujú. V eobecne sa dá o tomto spínanom zdroji
poveda , e priebehy, ktoré sme na om namerali sa zhodovali s teóriou.
Strana 53
7. ZÁVERCie om tejto diplomovej práce bolo navrhnú a zostroji spínaný napájací
zdroj pre vf zosil ova . Ke e spínaný zdroj nieje a také jednoduché zariadenie,
pri samotnom návrhu schémy zapojenia som spolupracoval s firmou ELTECO.
Odtia to sa mi podarilo zaobstara si niektoré sú iastky, ako napríklad tlmivky
a transformátor, ale aj pribli nú schému zapojenia. Pribli nú preto, preto e ju bolo
nutné poupravova na po adované parametre.
Po skompletizovaní schémy zapojenia bolo treba navrhnú plo ný spoj. Pri
tomto návrhu som vychádzal z ur itých pravidiel a rád, ktoré som získal
v spolo nosti ELTECO. Ke bol plo ný spoj skompletizovaný a osadený, mohol
sme prejs ku samotnému o iveniu a skontrolovaniu zdroja.
Po nameraní jednotlivých priebehov napätí som zistil, e spínaný zdroj
pracoval po a teoretických predpokladov. Taktie zvlnenie výstupného napätia bolo
minimálne, o zabezpe il pou itý kvalitný výstupný filter.
Z nameraných parametrov sme zistili, e spínaný zdroj by mal spo ahlivo
pracova a na výkone 1 kW. Taktie prostredníctvom regula nej slu ky bolo
mo né nastavi si hodnotu výstupného napätia v rozsahu 65 a 125 V.
Myslím si, e tento spínaný zdroj nebude ma problém s uplatnením, preto e
je ho mo né pou na ubovolný typ zariadenia, samozrejme pri dodr aní
prúdového a napä ového rozsahu..
Strana 54
ZOZNAM POU ITEJ LITERATÚRY
[ 1 ] Miller, R., Burley, L., Brown, D.: Power semiconductor application. PhilipsSemiconductors. Philips Export, 1991
[ 2 ] Krej ik, A.: Napájecí zdroje I. Praha: Ben, 1995. ISDN 80-86056-02-3[ 3 ] Unitrode – Integrated Circuits corp.: Product & Applications Handbook
1995 – 96, NH 03054[ 4 ] Záhlava, V.: OrCAD pro Windows. Praha: Grada, 1999. ISBN 80–7169–
876-8[ 5 ] http://ns.spsknm.sk/padysak/eln/zdroje/zdroje.htm[ 6 ] Amatérske Radio. ada B – pro konstruktéry. Ro ník V/2000. íslo 3.
Praha: AMARO 2000. ISSN 1211-3557, MK R 7443
Strana 55
estné vyhlásenie
Vyhlasujem, e som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pododborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca, PhD.a pou íval som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapo iavaním diplomovej práce.
V iline d a................................ podpis diplomanta.....................
Strana 56
PO AKOVANIE
Na záver diplomovej práce by som sa rád po akoval v etkým tým, ktorí mipomohli pri jej tvorení. Ich pomoc pozostávala najmä v technických radách, tvorbetvorivého prostredia, ale aj v radách s administratívnou as ou práce. Osobitne bysom sa chcel po akova za cenné rady a usmernenia v rie ení zadania môjmuvedúcemu diplomovej práce pánovi Doc. Ing. Rudolfovi Hroncovi, PhD. Taktie bysom chcel touto cestou po akova pánovi Ing. tefanovi Smie kovi za umo nenierealizácie praktickej asti diplomovej práce v spolo nosti ELTECO. Moja v akapatrí aj ostatným lenom katedry za pomoc a rady, v aka ktorým mohla by mojapráca dopracovaná a do úplného záveru.
Samozrejme by som rád na tomto mieste spomenul rodi ov a po akoval sa imza ich ochotu a porozumenie.
etkým by som chcel preto touto cestou vyslovi moje ve ké AKUJEM.
Strana 57
ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINEElektrotechnic ká fakulta
KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ
Návrh napájacieho zdroja vysiela aPrílohová as
Milan KARDO
2006
Strana 58
Príloha .1
1.1 Schéma zapojenia spínaného napájacieho zdroja
C19
VD12
R12
C21
R40L
RP1
VD1
C12
+C3e
R28
C36C7
R27
C10
C26
VD7
C41
C2
FU1
R3
+C3f
C33
N
R14R11
+
C11
+C15
PE
+C39
-+
D12
1
3
4
C40
+UOUT
R17
+C3d
R8
R25
R20
VD5
R29
R24
R1
+
C1
R15
R4
R26
T51 5
36
42
+C23
R6 VD6
+
C4
C5L3
R31
C8
T1
R5
VT1
+C3a
+C34
L5
12
34
R2
VD8 R30
R21
t
RN1
+C6
R16
C18
+C38
-+
D3
2
1
3
4
C9
+C3b
C31
NL3 3
2
1K
REF
A
R18
C13
C16
VD2
R13
NL51 3
2
IN OUT
GND
VD4
R19
- +D2
2
1
3
4
NL613
2
INOUT
GND
+C35
NL1
1
710111213
2
6
3
9
54
8
1516
14
LO
HOHINSHDNLINVSS
COM
VB
VCC
VDD
VSNO
NO1
NO3NO4
NO2
+
C22
VT2
R10
UF1
+C14
C17
R7
C20
R9
t
RN2
-UOUT
C32
NL28
6
7
4
2
1
3
5
VREF
OUT
VCC
RT/CT
VFB
COMP
ISENSE
GND
+C3c
R33
VD9
Strana 59
Príloha .2 – Zoznam sú iastokR1 22K 0,25R2 12 0,5R3 22 0,5R4 3K3 0,25R5 12 0,5R6 22 0,5R7 3K3 0,25R8 ODPOROVY DRAT 1,24 /m 0,71mm 0,11mR9 ODPOROVY DRAT 1,24 /m 0,71mm 0,11mR10 1K2 0,25R11 22 0,25R12 10 0,25R13 10 0,25R14 8K2 0,25R15 10K 0,25R16 10K 0,25R17 10K 0,25R18 10K 0,25R19 10K 0,25R20 1K 0,25R21 8K2 0,25R24 560K 0,25R25 10K 0,25R26 150K 0,25R27 150K 0,25R28 2K 0,25R29 15 1WR30 15 1WR31 3K3 4WR32 3K3 0,25R33 100 0,25R40 33 k 1 WRN1 TERMISTOR NTC 16A 1 RN2 TERMISTOR NTC 16A 1 RP1 10K POTENCIOMETERUF1 CNY17 OPTO LENVD1 UF4007 SMD -VD2 SK210 SMD 100V 2A 0,79VD4 ISL9R1560P2 600V 15A 30nsVD5 ISL9R1560P2 600V 15A 30nsVD6 SK210 SMD 100V 2A 0,79VD7 UF4007 SMD -VD8 FEP 30 GP 400V 2x15AVD9 FEP 30 GP 400V 2x15A
VD12 BZX 33V -VT1 HGTG12N60A4D 600V 54A+DIODAVT2 HGTG12N60A4D 600V 54A+DIODAD1 KBPC3510 35A 1000VD2 W06M 1A 600VD3 W06M 1A 600V
NL1 IR2110 SMD -NL2 UC3845 -NL3 TL431 -NL5 7815 -NL6 7815 -
Strana 60
Príloha .2 (Pokra ovanie)
C1 470 /25VC2 100n/630V
6 x C3 330 /450VC4 220 /25VC5 100n/50VC6 10 /63VC7 100n/50V
C11 10 /63VC12 100n/50VC13 100n/50VC14 220 /25VC15 100 /25VC16 100n/50VC17 1n/50VC18 2n2/50VC19 100n/50VC20 100n/50VC26 1n/630VC31 1n/630VC32 1 /250VC34 470 /200VC35 470 /200VC36 1 /250VC38 470 /200VC39 470 /200VC40 1 /250VC41 100n/50VC33 470p/50VC22 470 /40VC23 470 /40VC10 100n/50VC21 100n/50VC8 100n/50VC9 100n/50VT5 230V / 2x15V 2WL3 18XF750571 Kool MU 125 49zL5 18XF750552T1 2x18z / 32z ETD59 bez medzery
Strana 61
Príloha .3 – ORCAD CAPTURE
Strana 62
Príloha .4 – Library Manager
Strana 63
Príloha .5 – Orcad Layout
Strana 64
Príloha .6 – Plo ný spoj, horná as :
Strana 65
Príloha .7 – Plo ný spoj, dolná as :
Strana 66
Príloha .8 – Osadený plo ný spoj, poh ad zhora:
Poh ad zdola:
Strana 67
Príloha .9 – Detail chladenia výkonových sú iastok
:
