Spínané zdroje II.

1. Spínané zdroje II. Měniče s transformátory a s cívkami s odbočkou

2. Snižující zdroj s odbočkou na cívce (pro větší snížení UOUT a zvýšení IOUT) • Záleží na polaritě diody D1, • snižující zdroj, kde cívka je autotrans-formátorem • bez odbočky snižování jen do poměru • UIN : UOUT = 3 : 1 • Při sepnutém S teče proud z UIN přes S, přes celou cívku L1 do zátěže RZ. • Při rozepnutém S teče proud jen z pravé části cívky přes RZ a vrací se přes D1. Levou částí cívky proud neteče.

3. Reálné schema zapojení zdroje s odbočkou na cívce Dvě antisériově zapojené Zenerovy diody D2 a D3 (transily) chrání integro-vaný obvod proti přepětí Výstupní napětí je dáno vztahem: UOUT = UREF . (1 + R1 / R2).

4. Zvyšující zdroj s dělenou cívkou a) sepnuté tranzistory • Mezi vývody 7 a 2 je tranzistor T1 a mezi vývody 8 a 2 tranzistor T1. Odpor 170 Ohm je uvnitř IO a brání tomu aby tranzistor T1 sepnul zbytkovým proudem ICEO tranzistoru T2. • Po dobu sepnutí tranzistorů všechny proudy lineárně narůstají, ale proud IC1 je h21E krát vyšší, než proud IC2 = IB1.

5. Cívka s odbočkou je vlastně autotrans-formátor s primárem L1 a sekundárem L2. • V sepnutém stavu jsou cívky zapojeny jako spotřebiče a napětí na nich vyznačují šipky. • Platí: UIN = UL1 + UL2 + UCES1. b) Po rozepnutí tran-zistorů teče proud cívkami stále stej-ným směrem, ale do výstupu měniče přes diodu D. Polarita všech napětí se obra-cí.

6. Spínané zdroje s transformátory Vstup a výstup galvanicky oddělen, vysoká pracovní frekvence, regulace téměř vždy v primáru. Rozdělení na: a) jednočinné – propustné a blokující (akumulační) b) dvojčinné – vždy propustné Pracovní kmitočty standardně 100 kHz. Kromě PWM i jiné druhy způsobu regulace. Existuje celá řada měničů s neúplným zapojením.

7. Jednočinný propustný spínaný zdroj Tečky označují začátek vinutí a shodnost teček u vinutí znamená shodnost polarity primárního U1 a sekundárního U2 indukovaného napětí. Zapojení tedy „propouští“ energii z primární strany na sekundární stranu ve stejné době, kdy je do primární strany vkládána.

8. 1) Záleží ale nejen na orientaci teček (začátků vinutí), ale také na smyslu vinutí (musí být u všech vinutí stejný) a v neposlední řadě na orientaci výstupní diody vzhledem k vinutí. To vše jsou propustná zapojení. 2) I při shodné orientaci začátků vinutí, smyslu vinutí a orientaci diody dochází k průchodu proudu sekundárním obvodem až tehdy, když okamžitá hodnota výstupního napětí U2 vzroste nad součet: UOUT + UL + UF.

9. 3) I propustné zapojení se při náběhu a doběhu výstupního napětí chová jako blokující (akumulační) a energie v těchto dobách transformátorem neprochází a je hromaděna v jeho magnetickém poli. 4) Kromě této akumulované energie je navíc v magnetickém poli akumulována energie primárních siločar, které neprotínají závity sekundární cívky a energie z nich tedy nemůže být sekudnárními obvody z transformátoru odvedena. Množství těchto rozptylových siločar je dáno rozptylovou indukčností primárního vinutí. Rozptylová indukčnost primárního vinutí se změří při všech sekundárních vinutích transformátoru zkratovaných. 5) Při rozepnutí tranzistoru vzniká podle Faradayova zákona na primární cívce indukované napětí, dané vztahem Uind = - L . dI/dt, kde L je indukčnost primárního vinutí, dI je změna primárního proudu a dt je doba, za kterou k této změně došlo. 6) Dioda D2 je v zapojení nutná při existenci filtrační cívky L. Když už neteče proud diodou D1, pak se cívka L chová jako zdroj a teče z ní proud do zátěže UOUT a tento proud se zpět uzavírá přes diodu D2.

10. Princip funkce 1) Nárůst proudu cívkou L při sepnutém spínači S po dobu Ta: DILa= (U2 – Uout) . Ta / L 2) pokles proudu cívkou L při rozepnutém spínači S po dobu Tb: DILb = Uout . Tb / L 3) za předpokladu, že nárůst proudu DILa cívkou L po dobu sepnutí Ta spínače S může být způsoben pouze nárůstem proudu v sekundárním vinutí DILs musí platit: DILp = ns . DILs / np = ns . DILa / np 4) pro indukčnost primárního vinutí trafa platí: Lp = U1 . Ta / DILp 5) a konečně po dosazení dostaneme vztah pro hodnotu indukčnosti primárního vinutí: Lp = U1 . Ta . np / (ns . DILa).

11. Ochrana proti indukovanému napětí přidáním rekuperačního (demagnetizačního) vinutí Při rozepnutí trazistoru se na všech vinutích změní polarita indukovaných napětí oproti stavu, kdy je tranzistor sepnutý. Začne protékat proud z kladné svorky rekuperačního vinutí L3 (kladné polarity U3) do CN a zpět přes rekuperační diodu DR. 3) Tím je omezena velikost indukovaného napětí U1, které ohrožuje spínací tranzistor. 4) Tato ochrana je aktivní (rekuperační) = energie indukovaného překmitu se vrací do nabíjecího kondenzátoru CN. 5) Nevýhodou je nutnost dalšího vinutí transformátoru.

12. Demagnetizační obvod I. V okamžiku rozepnutí spínače S je energie, kterou nelze odebrat nahromaděna v magnetickém poli rozptylové fiktivní indukčnosti LR, která je „v sérii“ s indukčností Lp primárního vinutí. Magnetické pole této rozptylové indukčnosti představuje zásobárnu energie, jejíž napnění potřebuje tzv. magnetizační proud transformátoru DILp tj. proud, který nepřenáší energii, ale pouze stejnosměrně polarizuje magnetický materiál jádra. Stejnosměrná magnetizace jádra zmenšuje využitelný rozkmit buzení jádra vnější magnetizací po hysterezní smyčce a tedy zmenšuje možnost přenosu energie transformátorem. Výsledek: tuto magnetizační energii je nutno po každém rozepnutí spínače z jádra odebrat.

13. Demagnetizační obvod II. IC = IL . ns / np + Im proud Ic kolektoru tranzistoru má 2 složky: proud cívkou L magnetizační proud počet sekudnárních závitů počet primárních závitů b) minimální proud tranzistorem je dán minimlním proudem cívky: ICmin = ns . ILmin / np minimální hodnota proudu IL, daná spojitým režimem

14. Demagnetizační obvod III. c) maximální proud tranzistorem je: ICmax= (ILmin + DIL) . ns / np + DIm přírůstek magnetizač- ního proudu, daný sepnutím spínače S po dobu Ta přírůstek proudu IL, daný sepnutím spí- nače S po dobu Ta dosazením: ICmax= (ILmin + DIL) . ns / np + DIm Kde: DIL = (UIN – UOUT) . Ta / L = UOUT . Tb / L

15. Jednočinný blokující spínaný zdroj Průchodem primár-ního proudu je v magnetickém poli transformátoru hromaděna energie. Když je T sepnut, výstup UOUT je napájen z cívky L přes diodu D2. Energie z magnetic-kého pole je odebírána do výstupu od okamži-ku rozepnutí tranzis-toru, kdy se otáčí polarita všech napětí.

16. Ochrana proti indukovanému napětí (přidáním diodového členu) Indukované napětí na primární indukčnosti L1 a rozptylové indukčnosti LL protlačuje proud přes diodu D2 a transil (ZD) D3. Tím je překmit omezen na hodnotu: UIN + UF2 + UR3. Tato ochrana je ztrátová, tj. energie překmitu nad uvedené napětí se mění v teplo, převážně v transilu D3. Kdyby byla hodnota ESRIN rovná nule, indukčnost přívodů Lp rovná nule a vnitřní odpor zdroje UIN také, ochrany by nebyly nutné.

17. Zapojení diodové ochrany v reálném zapojení Zapojení lze realizovat i bez transilu D2, ale ztráty omezením překmitu pouze na UIN + UF3 by byly neúměrně vysoké. Zapojení RCD ochrany Při rozepnutí tranzistoru T pokračuje proud primárním vinutím transformá-toru stále stejným směrem přes diodu D2 a nabíjí kondenzátor C. Jeho zpětné vybití do vinutí transformátoru již není možné, dioda D2 je v závěrném směru. Odpor R vybíjí kondenzátor C po sepnutí tranzistoru. ztrátová ochrana

18. Buzení hradla MOS tranzistorů připojení vstupu bez ochrany je nebezpečné optimem ochrany je odpor 10kΩ + omezovač se ZD + vybíjecí člen s diodou minimální ochranou je omezovač se ZD

19. Ochrana MOSFETu před indukovaným napětím bez ochrany jistota průrazu standardní ochrana RCD členem paralelně k primární cívce optimem je ochrana RCD členy jak na primární cívce, tak mezi D a S tranzistoru MOSFET

20. Ochrana tranzistorů MOS před dU / dt polomost s ochranou třemi RC členy polomost bez ochrany polomost s ochranou jednoduchým RC členem

21. Kombinované zapojení Vzhledem k tomu, že nutnost rekuperač-ního vinutí komplikuje realizaci transfor-mátoru, je vhodné zkombinovat dva tranzistory a dvě rekuperační diody. Po rozepnutí obou tranzistorů současně má proud primární indukčností snahu pokračovat ve stejné velikosti a stejném směru. Protéká tedy z horní svorky primárního vinutí transformátoru přes diodu D1, zdroj, diodu D2 na spodní svorku primárního vinutí transformátoru. Polarita zapojení výstupní usměrňovací diody pak udává, zda se jedná o zapojení propustné, nebo akumulující.

22. Bezrozptylový měnič Tento netypický měnič se používá v případech, kde se pracuje se společným záporným pólem, výstupní napětí může být vyšší i nižší než vstupní napětí a pracuje bez plovoucího buzení. Tyto požadavky nesplňuje žádný měnič s jednoduchou cívkou. Používá se proto transformátor se vzduchovou mezerou (v podstatě tlumivka se dvěma vinutími). Zapojení bezrozptylového měniče vychází ze zapojení jednočinného blokujícího měniče. Záporné póly jsou spojeny. Předpokládáme, že měnící poměr není extrémně velký (U2 = (0,2 ÷ 5) . U1). Díky tomu je možné použít poměr závitů 1:1. Potom je střídavá složka na živých koncích obou vinutí (označeny tečkami) stejná. To umožní tyto konce spojit kondenzátorem C3 s velkou kapacitou. Použití kondenzátoru C3 má hned několik výhod. Odstraní se rozptyl transformátoru a není potřeba chránit tranzistor před špičkami, energie špiček se přenese na výstup. Výrazně se také omezí skinefekt - sníží se nároky na konstrukci vinutí, odpadne nutnost použití vf lanka, protože proud se mění pilovitě, nejsou zde žádné ostré hrany a proud se rozdělí mezi vinutí, což vede k jejich efektivnějšímu využití. Poměr závitů musí být přesně 1:1.

23. Dvojčinné spínané zdroje Dvojčinný paralelní měnič dvě symetrická primární vinutí dva tranzistory, obvykle bipolární vždy na výstupu dvoucestný usměr-ňovač s nárazovou tlumivkou historická nostalgie na elektronková zapojení typu: PPP = push pull parallel • Primární vinutí vždy v sérii (tečky), sekundární vinutí také, ale navzájem primár – sekundár to je jedno. • U dvojčinných zapojení nemusí být rekuperační dioda na sekundáru.

24. Spínání dvojčinných měničů a) tranzistory T1 a T2 musí spínat střídavě a nikdy nesmí sepnout současně, b) mezi intervaly sepnutí t1 musí být vždy nenulová doba zaručeného nesepnutí (t2a + t2b)min (dead time), c) Střída spínání je dána: 1/ poměrem doby sepnutí k době nesepnutí s = t1 / (t2a + t2b) = (2 . t1 ) / 2 . (t2a + t2b), např. 2 : 3, 2/ poměrem doby sepnutí k době periody s = 2 . t1 / T = t1 / (T/2), např. 0,4 nebo 40 %.

25. Polomost se dvěma primárními vinutími Sepnutý T1, rozepnutý T2, C1 se vybíjí, C2 se nabíjí, proud teče vinutím N1. Sepnutý T2, rozepnutý T1, C2 se vybíjí, C1 se nabíjí, proud teče vinutím N2. V úhlopříčce polomostu konden-zátor CC pro odstranění stejno-směrné složky. Pozor!! Primární vinutí mají orientaci proti sobě, sekundární vždy v sérii (tečky).

26. Polomost s jedním primárním vinutím Na smyslu vinutí N1 nezáleží, vinutí N2 a N3 vždy v sérii. Na výstupu měniče je dvoucestný usměrňovač s nárazovou tlumivkou Tl a tedy kondenzátor Cf je již FILTRAČNÍ !!!

27. Plný most s jedním primárním vinutím Současně spínají tranzistory T1 + T4 a v druhé půlperiodě T2 + T3. Používá se pro výkony nad 500 W. Často se zde používají tranzistory MOS, pro které se vyrábí integrované budiče tzv. H-můstků, které zajišťují galvanický posuv buzení horních dvou tranzistorů proti zemi.