4 NAPÁJACIE ZDROJE Úlohou napájacích zdrojov je zabezpečiť energiu potrebnú na činnosť elektrických a elektronických zariadení. Energia sa dodáva zväčša vo forme jednosmerných napätí zo striedavej siete alebo z batérií. Vstupná a výstupná veličina môže byť jednosmerná alebo striedavá. Obyčajne sa jedná o napäťové veličiny. 4. Rozdelenie napájacích zdrojov Podľa prevodu vstupnej veličiny na výstupnú rozlišujeme štyri základné skupiny napájacích zdrojov (obr.4.). Zmenu striedavého napätia na menšiu alebo väčšiu hodnotu striedavého napätia možno uskutočniť transformátorom. Najväčší význam má (sieťový) napájací zdroj ako usmerňovač, ktorý mení striedavé napätie znížené transformátorom a následne usmernené na jednosmerné výstupné napätie. Striedač sa používa na premenu jednosmerného napätia na striedavé napätie. Úlohou jednosmerných meničov je pretransformovať vstupné jednosmerné napätie na vyššie alebo nižšie jednosmerné napätie, prípadne na napätie opačnej polarity. Striedavé Vstupné napätie Jednosmerné Striedavé Výstupné napätie Jednosmerné Transformátor smerňovač Striedač Transformátor Striedač smerňovač Jednosmerný menič kap 4 Obr. 4.. Štyri základné skupiny zapojení napájacích zdrojov Výstupné napätie má byť nezávislé od zmien vstupného napätia, zaťaženia a teploty. Preto sa často používajú v súčinnosti s napájacími zdrojmi stabilizátory. Sieťové zdroje majú čoraz väčší relatívny objem a hmotnosť vzhľadom na celý elektronický prístroj. Preto sa používajú stále častejšie spínané zdroje bez sieťového transformátora. Objem a hmotnosť "klasických" zdrojov je určená najmä veľkým sieťovým transformátorom. Pri niektorých prístrojoch sa často požaduje viac rôznych napájacích jednosmerných napätí obyčajne s požiadavkou na stabilitu. Ak je k dispozícii len napätie s jednou polaritou, možno opačnú polaritu získať pomocou jednosmerného meniča. Požiadavky na stabilitu napájacích napätí elektronických funkčných jednotiek sú veľmi rôzne. Pre niektoré obvody stačí nestabilizované napájacie napätie (elektrónky, regulačné členy, spínacie obvody CMOS). Pri spracovaní analógových signálov s vysokou presnosťou (presné zosilňovače, aritmetické obvody, regulátory) je prípustné kolísanie napájacieho napätia často len niekoľko %. Pre väčšinu číslicových obvodov zmeny napájacieho napätia nesmú prekročiť jednotky %. Prípustné zmeny napätia siete pre automatizačné prístroje sú obyčajne v rozsahu - až %. Pri napájaní z batérií je kolísanie napätia ešte väčšie. Pri napájacích zdrojoch nás zaujímajú najmä tieto charakteristické veličiny: rozsah výstupného napätia a prúdu, maximálny výstupný výkon, stabilita výstupného napätia, vnútorný odpor, teplotná závislosť výstupného napätia, zvlnenie výstupného napätia, odolnosť proti skratu, teplotný rozsah, rozmery a cena. ELEKTRONIKA strana 4 -
4. smerňovače smerňovače menia hodnotu vstupnej striedavej veličiny (obyčajne napätie) a následne ju usmerňujú na jednosmernú veličinu. Pretransformovať striedavé (obyčajne sieťové) napätie na hodnotu, ktorú potrebuje usmerňovací obvod, zabezpečuje transformátor. Tiež zabezpečuje galvanické oddelenie napájaného obvodu (záťaže) od napájacieho obvodu (siete). Na usmernenie sa najčastejšie používajú kremíkové usmerňovacie diódy. Pre vyššie výkony (nad niekoľko W) sa používajú tyristory, ktoré pracujú súčasne aj ako regulátory výstupného napätia. Často sa používajú jednocestné a dvojcestné zapojenia usmerňovačov. Vhodné vlastnosti má tiež mostíkové zapojenie. Detailná analýza uvedených zapojení je obsahom iného predmetu, obmedzíme sa preto len na popis princípu, ktorý poslúži k vytvoreniu náväznosti na obvody, ktoré nasledujú za uvedenými zapojeniami usmerňovačov. Zdvojovače a násobiče napätia sa používajú najmä na špeciálne účely. smerňovače pre napájacie zdroje majú mať čo najväčšiu účinnosť (pomer výstupného výkonu k vstupnému výkonu, malú závislosť od zaťaženia a malé zvlnenie výstupného napätia (pomer vrcholovej alebo efektívnej hodnoty striedavej zložky výstupného napätia k jednosmernej zložke). Pri výbere usmerňovacej diódy treba vziať do úvahy strednú hodnotu prúdu v priamom smere, maximálne hodnoty prúdov, maximálne napätie v spätnom smere a teplotu okolia. Pri dostatočne veľkom signále možno charakteristiku diódy nahradiť lomenou čiarou. Na obr.4.. je zapojenie jednocestného usmerňovača s vyhladzovacím kondenzátorom. Vstupné striedavé (sieťové) napätie je u, pomer závitov primárneho a sekundárneho vinutia transformátora je n /n, odpor R a R predstavujú odpory vinutí, C je vyhladzovací kondenzátor, je odpor záťaže. Dióda D usmerňuje len jednu polovlnu striedavého napätia u = n /n.u sekundárneho vinutia transformátora. Z toho vyplýva, že frekvencia zvlnenia usmerneného napätia je zhodná s frekvenciou napätia u. Ak C =, potom na výstupe sa objaví pulzujúce usmernené napätie s kladnými polvlnami. Toto pulzujúce napätie sa snažíme vyhladiť na jednosmerné konštantné napätie. Čiastočne to možno dosiahnuť vyhladzovacím kondenzátorom C. Pri otvorenej dióde sa kondenzátor nabíja a zhromažďuje energiu, pri zatvorenej dióde ju dodáva do záťaže. Takto sa dosiahne, že cez záťaž tečie spojitý prúd. Zvlnenie výstupného napätia (rozdiel medzi jeho okamžitou a strednou hodnotou) sa podstatne zmenší. u R I P n n R O D C Obr. 4.. Jednocestný usmerňovač I S u S s C bez C Zapojenia dvojcestných usmerňovačov sú charakterizované tým, že k prúdu cez záťaž, prípadne k nabíjaniu vyhladzovacieho kondenzátora, neprispieva len jedna, ale obidve polovlny striedavého napätia na sekundárnom vinutí transformátora. Rozlišujeme principiálne dva spôsoby zapojenia. Dvojcestný usmerňovač s vyvedeným stredom transformátora a mostíkové zapojenie. Zapojenie dvojcestného usmerňovača s vyvedeným stredom transformátora na obr. 4.3. predstavuje dva paralelne zapojené jednocestné usmerňovače. Obe sekundárne vinutia transformátora pracujú striedavo. Využíva u R I P n n D C I S u S n D s C t bez C t Obr. 4.3. Dvojcestný usmerňovač sa teda obidvoch periód striedavého napätia, a preto frekvencia zvlnenia usmerneného napätia na výstupe sa rovná dvojnásobku frekvencie vstupného napätia. Vyhladzovací kondenzátor má rovnakú funkciu ako v prípade strana 4 - ELEKTRONIKA
jednocestného usmerňovača, vzhľadom na dvojnásobnú frekvenciu zvlnenia výstupného napätia je amplitúda striedavej zložky menšia. Mostíkové (Graetzovo) zapojenie usmerňovača na obr. 4.4. potrebuje len jedno sekundárne vinutie s rovnakým napätím ako má polovica sekundárneho vinutia v predchádzajúcom zapojení. Záverné napätie diód je polovičné. Predpokladajme, že horný vývod sekundárneho vinutia transformátora má kladnú polaritu voči dolnému vývodu. Potom tečie prúd cez diódu D, zaťažovací odpor a diódoud 3 sa vracia k dolnému vývodu sekundárneho vinutia. V ďalšej polperióde striedavého napätia tečie prúd od dolného kladného (polarita v zátvorke) vývodu cez diódu D 4, zaťažovací odpor a diódou D sa vracia k hornému vývodu vinutia. Z uvedeného vyplýva, že prúd preteká vždy dvoma diódami. Zapojenie využíva obidve polperiódy striedavého napätia, a preto jeho frekvencia zvlnenia sa rovná dvojnásobku vstupného napätia. Kondenzátor C plní funkciu vyhladzovacej kapacity. Oproti dvojcestnému zapojeniu má výhodu, že potrebuje len polovičné napätie sekundárneho vinutia pri rovnakom usmernenom napätí. Diódy môžu mať taktiež nižšie inverzné napätie a transformátor je menší ako pri dvojcestnom usmerňovači rovnakého výkonu. I P () R n n D D I S u S s C u D 3 () D 4 C RZ bez C t Obr. 4.4. Mostíkový usmerňovač 4.3 Stabilizátory napätia Charakteristickými veličinami stabilizovaného zdroja napätia sú predovšetkým rozsah výstupného napätia, maximálny výstupný výkon, stabilita výstupného signálu, odolnosť proti skratu, rozmery, teplotný rozsah, cena. Výstupné napätie stabilizovaného zdroja napätia ovplyvňujú predovšetkým: - zmeny vstupného napájacieho napätia ( ), - zmeny zaťaženia na výstupe ( I ), - zmena teploty ( T), - dlhodobé časové zmeny ( t). Pre malé zmeny výstupného napätia stabilizovaného napäťového zdroja platí kap 4 I T t (4.) T t Pre ideálny napäťový zdroj musia byť všetky parciálne derivácie nulové. Namiesto uvedených parciálnych derivácií sa používajú obyčajne z nich odvodené charakteristické veličiny : - činiteľ stabilizácie S 4 ( až ) = (4.) -3 - diferenčný vnútorný odpor ri = ( až Ω I I ) (4.3) 3 - teplotný koeficient -5 TK = ( až K ) (4.4) T T ELEKTRONIKA strana 4-3
- koeficient dlhodobých zmien t t (4.5) Činiteľ stabilizácie je mierou nezávislosti výstupného napätia od vstupného napätia. Vnútorný odpor určuje zmeny výstupného napätia pri zmene zaťaženia. Všetky štyri ovplyvňujúce veličiny však nepôsobia vždy rovnako silne. Úlohou stabilizátorov je udržiavať konštantné výstupné napätie, príp. prúd napájacieho zdroja pri kolísaní vstupného napätia, ako aj pri zmenách teploty a zaťaženia. Stabilizátor väčšinou znižuje aj šumové a rušivé napätia superponované na jednosmerné napätie. Stabilizátory napätia rozdeľujeme podľa umiestnenia riadiaceho prvku voči záťaži na paralelne (obr. 4.5) a sériové (obr. 4.6). paralelného stabilizátora je riadiaci prvok umiestnený v priečnej vetve a jeho odpor sa mení v závislosti na stabilizovanom napätí. Sériový stabilizátor má riadiaci prvok umiestnený v pozdĺžnej vetve a jeho odpor tiež závisí od výstupného napätia. R RIADIACI PRVOK RIADIACI PRVOK RZ RIADENIE RIADENIE Obr. 4.5. Paralelný stabilizátor Obr. 4.6. Sériový stabilizátor Podľa spôsobu stabilizácie ich rozdeľujeme a) stabilizátory bez regulácie - parametrické b) stabilizátory s reguláciou spojitou - lineárne spätnoväzobné c) stabilizátory s reguláciou nespojitou - impulzné Pri stabilizátoroch bez regulácie možno napätie stabilizovať pomocou stabilizačného prvku zapojeného do série s predradným odporom a paralelne k záťaži. Typickým predstaviteľom parametrického stabilizátora je zapojenie so Zenerovou diódou. Využíva sa tu nelineárneho prvku so stabilnou voltampérovou charakteristikou. I R V I Z ZD STABILIZÁTOR Obr. 4.7. Stabilizátor bez regulácie P Wmax I Z 3 R V I Zmin I Z OBLASŤ VYŽITIA 4 I Zmax Obr. 4.8. Charakteristika Zenerovej diódy I Z Funkciu jednoduchého stabilizátora so Zenerovou diódou podľa obr. 4.7, vysvetlíme pomocou charakteristiky na obr. 4.8. Charakteristiku Zenerovej diódy v oblasti jej využitia (medzi bodmi a 4 ) možno nahradiť priamkou. Potom pri zmene zaťaženia Zenerovej diódy v tejto oblasti platí I Z. r d. Zapojenie je navrhnuté tak, aby pracovný bod ležal v bode. Ak sa vstupné napätie zvýši o, pracovný bod sa presunie z bodu do bodu 3 a výstupné napätie sa zvýši o. Čím strmšia je charakteristika diódy v Zenerovej oblasti, t.j. čím menší je diferenciálny odpor diódy r Z, tým menšia je zmena výstupného napätia. Vstupné napätie môže strana 4-4 ELEKTRONIKA
stúpnuť až do hodnoty, keď sa pracovná priamka rovnobežne posunie z bodu 3 do bodu 4. Zo strany minimálneho vstupného napätia je hodnota určená polohou pracovného bodu v mieste. Oblasť využitia je potom vymedzená pretekajúcimi prúdmi I Zmin až I Zmax. Diferenciálny odpor Zenerovej diódy r d = / I z má byť čo najmenší, aby zmeny výstupného napätia boli minimálne. Činiteľ stabilizácie S ( / ). ( R V /r z ) býva obyčajne v rozsahu hodnôt 5 až. Stratový výkon diódy P Vmax = I Zmax.. Ak požadujeme väčší výkon parametrického stabilizátora, možno pripojiť na jeho výstup tranzistorový emitorový sledovač (báza medzi R V a ZD, kolektor na, emitor na R z ), činiteľ stabilizácie sa však nemení. Parametrické stabilizátory majú hodne nedostatkov, ktoré vylučujú ich použitie v mnohých aplikáciách. Je to hlavne závislosť vnútorného odporu na použitej súčiastke, zmena činiteľa stabilizácie od prúdového zaťaženia a nemožnosť regulovania výstupného napätia. Nedostatkom je tiež malý výstupný výkon a citlivosť na zmeny vstupného napájacieho napätia. týchto stabilizátorov chýba záporná spätná väzba. Základný princíp stabilizátorov so spojitou reguláciou (s lineárnou spätnou väzbou) spočíva v porovnaní veľkosti výstupného napätia s napätím referenčného zdroja. Výsledná odchýlka sa zosilní a privádza sa na aktívny elektronický obvod, realizovaný väčšinou tranzistorom, ktorý odchýlku výstupného napätia minimalizuje. Tieto regulátory sa tiež často nazývajú stabilizátory so spätnou väzbou. RT R R A g = N N DZ ZD N R ` Obr. 4.9. Stabilizátor so spojitou sériovou reguláciou Obr. 4.. Stabilizátor s diferenciálnym zosilňovačom Na obr. 4.9 je bloková schéma stabilizátora so spojitou sériovou reguláciou. Výstupné stabilizované napätie sa privádza na jeden vstup porovnávacieho obvodu, zatiaľ čo na druhý vstup sa privádza napätie zo zdroja referenčného napätia N. Odchýlka sa zosilní v zosilňovači A u -krát a privádza sa na regulačný (odpor) obvod. Zosilnená odchýlka spôsobí takú zmenu odporu regulačného obvodu, že pôsobí proti zmene, ktorá odchýlku vyvolala. Zdrojom referenčného napätia je obyčajne parametrický stabilizátor. Aby tento zdroj referenčného napätia mal požadovanú stabilitu, musí mať porovnávací obvod veľký vstupný odpor. Zapojenie sériového regulátora sa používa najčastejšie. Principiálne zapojenie stabilizátora so sériovou reguláciou s použitím diferenciálneho (operačného) zosilňovača je na obr. 4.. Referenčné napätie N sa privádza na invertujúci vstup zosilňovača. Na neinvertujúci vstup sa privádza spätnoväzobné napätie deliča tvoreného odpormi R a R. Operačný zosilňovač svojim výstupom ovláda regulačný tranzistor RT. Toto zapojenie zaisťuje menší prúd odoberaný z porovnávacieho obvodu. vedený princíp sa využíva u regulátorov napätia v monolitickom prevedení, napr. lineárny integrovaný stabilizátor MAA 73. Jednoduché zapojenie stabilizátora s diskrétnymi polovodičovými súčiastkami je na obr. 4.. Používa sa v prípadoch potreby zdroja konštantného napätia bez osobitných nárokov na stabilitu výstupného napätia. Obsahuje tranzistor T ako regulačný člen a tranzistor T ako regulačný zosilňovač, Zenerova dióda ZD plní funkciu referenčného zdroja Z. Vpravo je zapojenie prekreslené ako neinvertujúci operačný zosilňovač. Potenciál bázy tranzistora T je kap 4 B = Z BE = A R /(R R ) (4.6) Ak je prúd cez delič napätia R, R podstatne väčší ako prúd I B, výstupné napätie má hodnotu A = ( R /R ).( Z BE ) (4.7) ELEKTRONIKA strana 4-5
T E R V R R T I C I B R V R E T A Z ZD R R ZD Obr. 4.. Stabilizátor s diskrétnymi súčiastkami R Zmena napätia na vstupe E vyvolá zmenu napätia na výstupe A, ktorá je podstatne menšia. Možno ju vyjadriť vzťahom A = E - R E A u /(R R ) (4.8) kde A u je napäťové zosilnenie tranzistora T. Činiteľ stabilizácie S = [( R A u /(R R )]. ( A / E ) (4.9) Jeho hodnota nebýva veľmi veľká (S ).Možno ho podstatne zvýšiť, ak odpor R nahradíme zdrojom konštantného prúdu. Ak chceme meniť výstupné napätie A, možno to dosiahnuť zmenou hodnoty odporu R V, ktorý určuje pracovný bod Zenerovej diódy. Princíp stabilizátora so spojitou paralelnou reguláciou je na obr. 4.. Regulačný (odpor) obvod tvorí spolu s odporom R a záťažou sériovo paralelnú kombináciu. Podľa zmien vstupného napätia a zmien odporu záťaže sa mení výstupné napätie, ktoré je privádzané na porovnávací obvod. Zdroj referenčného napätia je N. Výstupné napätie z porovnávacieho obvodu je privádzané na zosilňovač, kde je napäťovo zosilnené A u -krát a následne ovláda vodivosť (odpor) regulačného obvodu. Zo schémy je evidentné, že veľká časť výkonu sa stráca vo forme tepelnej energie na odpore R a regulačnom odpore. Preto má tento spôsob regulácie malú účinnosť. Výhodou zapojenia je, že regulátor nie je ohrozený pri skrate, naopak pri chode naprázdno je zaťažený najviac. R N A Obr. 4.. Stabilizátor so spojitou paralelnou reguláciou Stabilizátory s nespojitou (impulznou) reguláciou stabilizujú výstupné napätie využitím výkonového regulačného člena len v určitých, časove obmedzených intervaloch. spojitého lineárneho regulátora ovláda odchýlka výstupného napätia od menovitej hodnoty spojite a proporcionálne odpor výkonového regulačného člena v ľubovoľnom okamihu tak, aby výstupné napätie sa blížilo konštantnej hodnote. Z toho však vyplýva pomerne veľká výkonová strata na regulačnom člene a teda aj malá účinnosť spojitej regulácie. Nespojitá (impulzná regulácia umožňuje výrazne redukovať výkonovú stratu na regulačnom člene. V tomto prípade pracuje regulačný prvok (tranzistor) ako riadený spínač. Prúd nim preteká len počas určitého intervalu strana 4-6 ELEKTRONIKA
pracovného cyklu. Pritom okamžitá výkonová strata tranzistora v zapnutom stave je vzhľadom k ces rádovo menšia, ako u lineárneho regulátora. Ďalšou výhodou je to, že výkonová strata v podstate nezávisí od rozdielu hodnôt vstupného a výstupného napätia ( n - s ), ale len na kolektorovom prúde tranzistora. Možnosť použiť spínací regulačný člen je podmienená jeho vzájomnou súčinnosťou s filtračným členom, ktorý na rozdiel od aplikácie v spojitom regulátore, musí mať výrazný akumulačný charakter. Filtračný člen je pre väčšie výstupné výkony vždy typu LC. Základná schéma impulzného regulátora je na obr. 4.3. Princíp činnosti viazanej dvojice spínač - akumulačný filter spočíva v tom, že energia odobratá meničom v jednom (aktívnom) intervale pracovného cyklu je filtrom akumulovaná. V druhom (pasívnom) intervale, kedy je spínač S rozpojený je záťaž napájaná energiou, ktorá je akumulovaná filtrom. Regulácia prebieha v naväzujúcich pracovných cykloch T c = T a T b, kde T a je aktívny interval (spínač S zopnutý), kedy filter akumuluje energiu a T b je pasívny interval (spínač S rozopnutý), kedy záťaž odoberá energiu akumulovanú vo filtri. Pracovný cyklus T c môže byť ovládaný rôznymi spôsobmi, takže jednotlivé intervaly môžu byť konštantné i premenné. V dôsledku nespojitej regulácie napäťová odchýlka výstupného napätia s periodicky a dynamicky kolíše v intervale každej periódy T c, predovšetkým v závislosti na konkrétnom spôsobe regulácie, charaktere filtra a záťaži. Zmenšené výstupné napätie k s je vyhodnotené rozdielovým zosilňovačom. Zosilnená regulačná odchýlka A( ref - k s ) ovláda cez konverzný obvod /t (impulzný modulátor) vzájomný pomer intervalov T a /T b tak, aby sa priemerná regulačná odchýlka s blížila k nule. Výstupné napätie je teda rovnako ako u spojitej regulácie pod kontrolou spätnoväzobné slučky. Tá však pracuje teraz nespojite, aj keď regulačný zosilňovač pracuje neustále. Základný nedostatok impulznej regulácie je, že medzi zistením odchýlky výstupného napätia s vzhľadom k menovitej veľkosti a jej korekcie existuje určité oneskorenie, vyplývajúce predovšetkým zo zotrvačného charakteru akumulačného filtru. Pre prijateľné dynamické parametre je podmienkou relatívne vysoký pracovný kmitočet regulátora (desiatky khz). n S i S FV filter I S Napäťový menič spínač filter Regulačná slučka P Rb n kap 4 Impulzný modulátor /f A reg A k ref ( reg ) Ra Riadiace obvody Obr. 4.3. Základná schéma impulzného regulátora Obr. 4.4. Základná schéma impulzného regulátora Bloková schéma impulzného regulátora na obr. 4.4. je znázornená tak, aby vyniklo obvodové rozlíšenie na dva rozhodujúce funkčné bloky - napäťový menič a riadiace obvody. Riadiace obvody sú čo do funkcie a významu podriadené koncepcii meniča. Menič impulzne regulovaného napäťového stabilizátora transformuje jednosmerné vstupné napätie n na výstupné s dvojstupňovou napäťovou konverziou DC AC DC. Je to typický výkonový obvod. Parametre regulátore sú limitované koncepciou meniča. Meniče pripadajúce do úvahy pre praktickú realizáciu, môžu byť v zásade odvodené z blokujúceho meniča alebo z priepustného meniča. Pochopenie princípu a funkcie týchto dvoch základných typov meniča je podstatou zvládnutia celej problematiky impulznej regulácie. Pre jednoduchosť uvažujme pri vysvetlení princípu činnosti obvodové prvky s ideálnymi vlastnosťami. Okrem L a C prvkov sa to týka predovšetkým diód a tranzistorov. Interval T a je doba zopnutia výkonového spínača, T b je doba rozopnutia výkonového spínača. Základná schéma idealizovaného blokujúceho meniča (Flyback convertor) je na obr. 4.5. Schéma je pre prehľadnosť rozkreslená pre jednotlivé intervaly T a, T b pracovného cyklu, s rozlíšením polohy nastavenia výkonového spínača S. Výstupný filter je tvorený zostavou zotrvačných členov L, C. Súčinnosť oboch prvkov sa mení podľa práve existujúceho intervalu pracovného cyklu. Porovnaním schém na obr. 4.5. pre jednotlivé intervaly vyplýva, že pracovná (akumulačná) cievka s indukčnosťou L je v intervale T a súčasťou vstupného, v intervale T b súčasťou výstupného obvodu meniča. Filtračný kondenzátor C je vždy súčasťou obvodu ELEKTRONIKA strana 4-7
výstupného. V intervale T a je magnetickým poľom cievky L akumulovaná určitá energia, odovzdaná z napájacieho zdroja cez aktívny spínač S. V intervale T b, pri rozopnutom spínači, je naopak časť tejto energie odoberaná záťažou a kondenzátorom C. Predpoklad ideálneho bezstratového meniča dovoľuje zaviesť rovnosť energií W a = W b. Predpokladajme, že spínač S bol práve zopnutý. Zo základného vzťahu pre prúd cievkou t L dt i, možno pre = k a ideálne prvky S, L odvodiť prúdový rozkmit i La = t a /L. vyjadrený i L = Špičkový prúd I lmax cievkou na konci intervalu T a je určený súčtom i La a ustáleného prúdu I O, určeného počiatočnou podmienkou. Prúd i La je lineárnou funkciou času. Vznik magnetického poľa cievky, vytváraného prúdom i L bráni tomu, aby i L sledoval skokovú zmenu napätia L. Magnetický tok spolu s i L rastú lineárne. Na konci intervalu T a je poľom cievky L akumulovaná energia W a. V tejto fáze je výstupný obvod meniča od cievky L oddelený záverne polarizovanou diódou D. Preto v intervale T a musí byť celý odoberaný výstupný prúd hradený z náboja filtračného kondenzátora C. Predpokladajme, že sa výkonový spínač S rozpojí. Tým je odpojené napájacie napätie od cievky L a menič prechádza do druhej pracovnej fázy, intervalu T b. Energia akumulovaná v L nemôže zaniknúť okamžite. Zmenou magnetického toku sa na svorkách cievky indukuje napätie opačnej polarity, pôsobiace proti zmene (zániku) prúdu i L. Ten teraz môže prechádzať priepustne polarizovanou diódou D do výstupného obvodu, zaťažovacieho odporu a filtračného kondenzátora. Prúd i LB je úmerný množstvu energie, akumulovanej indukčnosťou behom predchádzajúceho intervalu T a. Z predchádzajúceho vysvetlenia vyplýva, že hodnota výstupného napätia s je pri určitom pomere T a /T b lineárnou funkciou vstupného napätia n. Pri T a /T b = konšt., a pri n = konšt. Je výstupné napätie s teoreticky nezávislé na zaťažovacom prúde. Zmena prúdu v prípustných medziach má za následok len posun ustálenej jednosmernej zložky odoberaného prúdu. Tento záver neplatí pre skokovú zmenu prúdu. Pretože napätie n v praxi konštantné nie je musí spätnoväzobná sľučka ovládať okamžitý pomer T a /T b tak, aby bolo dosiahnuté čo najlepšej konvergencie zmeny s. Funkčne, i z hľadiska realizácie sú blokujúce meniče relatívne jednoduché. Dobrých výsledkov možno pomerne ľahko dosiahnuť predovšetkým při regulácii vyšších výstupných napätí a při malých výstupných prúdoch (< A). S D n i La L I C I I Z n LI n LI n S Interval T a D L I i Lb Interval T b C I IZ i L I o T a T a :T b =: I Lmax I o i L I Lmax T b T a T b T C T C T a :T b =: Obr.4.5. Zapojenie a časové diagramy blokujúceho meniča Priepustný menič (Forward converter) k prenosu energie zo vstupného do výstupného obvodu využíva aktívny interval T a. Funkcia a princíp priepustného meniča vyplýva z obr. 4.6 rozkresleného na jednotlivé fázy činnosti spínača S. V intervale T a je spínač zopnutý. Cez indukčnosť L tečie zo vstupného do výstupného obvodu prúd I la. Ak predpokladáme bezstratový menič, v tomto intervale je na svorkách L napätie s hodnotou n -. Zmena (zväčšovanie) prúdu má lineárny priebeh i La = ( n - s )T a /L. V ustálenom režime, při I z = konšt., bude změna (zmenšenie) prúdu v druhom intervale T b pracovného cyklu i Lb = T b /L. V intervale T b, při rozopnutom spínači S je záťaž napájaná energiou akumulovanou v indukčnosti L cez teraz priepustne polarizovanú diódu D. Pokles prúdu i Lb je opäť s časom lineárny. Z rovnosti i La = i Lb vyplýva základný vzťah pre definíciu výstupného napätia s = n T a /T c, kde T c = T a T b je perióda spínania. Výstupné napätie s má zhodnú polaritu so vstupným napätím n. Prúd tečúci indukčnosťou L, skladajúci sa z ustálenej zložky I L a strana 4-8 ELEKTRONIKA
pilovitého priebehu i L, má teraz prakticky spojitý charakter v priebehu celej periódy pracovného cyklu T c. Pre optimálny režim (I Z >> I zmin ) možno dosiahnuť toho, že rozkmit i L je rádovo menší ako I Z. Pretože L tvorí s C účinný filtračný člen v priebehu celého pracovného cyklu, možno v porovnaní s blokujúcim meničom dosiahnuť rádového zmenšenia odchýlky výstupného napätia s. tohoto meniča však platí obmedzenie, kedy musí byť splnená podmienka s < n. Priepustný menič môžeme označiť za optimálne riešenie pre väčšinu do úvahy prichádzajúcich aplikácií impulzne regulovaných zdrojov. S L I L S I LI n D i La Interval T a C I I Z n D i Lb Interval T b C I I Z il I Lmax I Lmin Obr. 4.6. Zapojenie a časové diagramy priepustného meniča T a T b Protitaktný menič (Push-pull converter) je analógiou zapojenia dvojice protitaktne pracujúcich priepustných meničov so spoločným impulzným transformátorom, akumulačnou tlmivkou a filtračným kondenzátorom. Dvojitý priepustný menič (Double forward converter) pozostáva z dvoch priepustných meničov, pracujúcich v protitaktne, kde každý menič má svoj vlastný impulzný transformátor. Zhrňme základné prednosti a nedostatky impulzne regulovaných zdrojov: Výhody: Veľká energetická účinnosť (bežne nad 6%, modernejšie koncepcie 8%). Veľké výstupné výkony (stovky W), veľké výstupné prúdy. Modifikovateľnosť základných variantov (inverzná polarita výstupného napätia voči vstupnému, vzostupná transformácia s > n, súčasná stabilizácia niekoľkých výstupných napätí jediným regulátorom). Výhodné konštrukčné parametre (rozmery a hmotnosť). Nedostatky: Z princípu impulznej regulácie vyplýva, že zvlnenie výstupného napätia je väčšie ako u bežných stabilizátorov. Odozva výstupného napätia na skokovú zmenu zaťažovacieho prúdu je sprevádzaná prekmitmi. Relatívne veľká časová odozva výstupu na zmeny na vstupe. Parazitné širokopásmové rušenie. Náročné odrušenie zdrojov. Z uvedených princípov činnosti stabilizátorov možno vytvoriť nasledovný grafický prehľad (obr. 4.7). PRINCÍP STABILIZÁTORA kap 4 BEZ REGLÁTORA S REGLÁTOROM SPOJITÝ NESPOJITÝ (SPÍNACÍ) SÉRIOVÝ REGLÁTOR PARALELNÝ REGLÁTOR SÉRIOVÝ REGLÁTOR PARALELNÝ REGLÁTOR pre malé výkony pre malé a veľké výkony η 5% η 5% až 7% η 75 až 9% Obr. 4.7. Prehľad stabilizátorov podľa princípu Ďalšie typy napájacích zdrojov: Striedače sa používajú na premenu jednosmerného napätia na striedavé napätie v meničoch jednosmerného napätia a v zdrojoch bez sieťového transformátora. Podľa spôsobu zapojenia rozlišujeme tri skupiny striedačov. Blokovací menič využíva princíp generátora prúdu, výkon sa prenáša pri zatvorenom tranzistore. Priepustný menič využíva princíp generátora napätia, výkon sa prenáša při otvorenom tranzistore (požaduje sa ochrana pred skratom). Ďalej môže byť použitý dvojčinný, prípadne mostíkový menič. Výhodou blokovacích a priepustných meničov je nízka cena, preto sa na prenos malých a stredných výkonov (pod 3W) používajú najčastejšie. Pre väčšie výkony sú vhodnejšie dvojčinné meniče. Meniče jednosmerného napätia sa používajú na pretransformovanie vstupného jednosmerného napätia na vyššie alebo nižšie jednosmerné napätie, alebo na napätie opačnej polarity. So zmenou je často spojené aj ELEKTRONIKA strana 4-9
galvanické oddelenie obvodov. Typickým príkladom je získanie vysokého napätia s malým výkonom pre prenosné meracie prístroje. Transformácia napätia prebieha v dvoch etapách. Premena vstupného jednosmerného napätia na väčšinou pravouhlé striedavé napätie pomocou striedača a transformátora. Potom nasleduje usmernenie a vyhladenie transformovaného striedavého napätia. Výstupné napätie sa takmer vždy stabilizuje regulačným obvodom. Literatúra ku kapitole 4 [] SEIFART, M.: Polovodičové prvky a obvody na spracovanie spojitých signálov Alfa Bratislava 988 [] KYRŠ, F.: Meniče a stabilizátory napětí Amatérske radio B, číslo 4, rok 98 [3] MALLAT,J., KROFTA,J.: Stabilizované napájecí zdroje pro mikroelektroniku SNTL Praha 986 [4] BELZA J.: Spínané zdroje ve výpočetní technice Amatérske radio B, číslo 4, rok 994 strana 4 - ELEKTRONIKA