19. Zasilacze impulsowe

1. Prostownik sieciowy Prostownik sieciowy 19. Zasilacze impulsowe 19.1. Wstęp Sieć energetyczna (np. 230V, 50 Hz Stabilizator napięcia R0 Napięcie stałe Rys. 19.1.1. Zasilacz o działaniu ciągłym R0 Napięcie stałe EA Zasilacz impulsowy Napięcie (napięcia) stałe U0 Rys. 19.1.2. Zasilacz impulsowy zasilany z akumulatora (baterii) Sieć energetyczna (np. 230V, 50 Hz Zasilacz impulsowy R0 Napięcie (napięcia) stałe Rys. 19.1.3. Zasilacz impulsowy zasilany z sieci energetycznej

2. Podstawowe zalety : 1. Duża sprawność energetyczna η ( 70 - 85 % przy częstotliwości pracy 30 - 500 kHz, 85 - 93 % przy częstotliwościach pracy 500 kHz - 2MHz), 2. Możliwość uzyskania dużych mocy wyjściowych (kilka do kilkuset watów, a w układach mostkowych nawet do 2 KW), 3. Małe rozmiary urządzeń, łatwość hermetyzacji, eksploatacja w warunkach chłodzenia naturalnego, 4. Łatwość transformacji napięcia zasilającego oraz możliwość uzyskania izolacji galwanicznej między źródłem zasilania a obciążeniem. Podstawowe wady : 1. Możliwość wytwarzania silnych zakłóceń radioelektrycznych, przy braku odpowiednich zabezpieczeń, 2. Mniejsza niezawodność i trwałość niż zasilaczy o działaniu ciągłym.

3. Zasilacze impulsowe powinny spełniać następujące wymagania • techniczne : • utrzymanie stałego napięcia wyjściowego niezależnie od zmian • napięcia wejściowego, prądu obciążenia i temperatury w określonych • przedziałach zmian tych wielkości, • - bardzo dobre tłumienie tętnień na wyjściu zasilacza, • mała wrażliwość napięcia wyjściowego na skokowe zmiany • obciążenia, • - niski poziom zakłóceń radioelektrycznych przewodzonych w kierunku • wejścia i wyjścia oraz promieniowanych do otaczającej zasilacz • przestrzeni (poniżej poziomu dopuszczalnego przez normy), • - małe napięcie szumów na wyjściu, • - zabezpieczenie nadprądowe, • - zdolność podtrzymania napięcia wyjściowego podczas chwilowego • zaniku napięcia sieciowego (zasilacze sieciowe).

4. 19.2. Rodzaje stabilizowanych zasilaczy impulsowych Stabilizowane zasilacze impulsowe można podzielić na zasilacze : - o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie od wejścia, - o wyjściu oddzielonym galwanicznie od wejścia. Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik mostkowy z filtrem. Przełącznik tranzystorowy w.cz.. Filtr w.cz. Filtr w.cz. U~ U= Wzmacniacz sygnału błędu. Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr UREF Układ regulacji Rys. 19.2.1. Zasilacz impulsowy o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie

5. Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik mostkowy z filtrem. Przełącznik tranzystorowy w.cz.. Transfor- mator w.cz. Prostownik i filtr w.cz. Filtr w.cz. U~ U= Wzmacniacz sygnału błędu. Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr UREF Układ regulacji Rys. 19.2.2. Zasilacz impulsowy o wyjściu oddzielonym galwanicznie

6. Inne kryteria podziału : • Obydwie grupy zasilaczy impulsowych można z kolei podzielić • ze względu na zasadę działania na : • konwertery jednotaktowe (współbieżne, przepływowe) charakteryzujące • się tym, ze w tej samej części okresu, w którym występuje • magazynowanie energii w polu magnetycznym, zachodzi • bezpośrednie przekazywanie energii ze źródła do obciążenia. Inaczej • mówiąc przekazywanie energii do obciążenia odbywa się podczas • włączenia klucza lub kluczy, • konwertery dwutaktowe (przeciwbieżne, zaporowe), charakteryzujące • się tym, że energia ze źródła jest magazynowana najpierw w polu • magnetycznym dławika (transformatora) w czasie przepływu prądu • przez uzwojenie a następnie przekazywana do obciążenia dopiero • po przerwaniu przepływu prądu. Inaczej mówiąc przekazywanie • energii odbywa się przy wyłączonym kluczu lub kluczach.

7. Kryterium rodzaju modulacji przy regulacji napięcia wyjściowego : • przetwornice z modulacją szerokości impulsów (PWM). W tych • przetwornicach zmienia się położenie czasowe zbocza przedniego • lub tylniego, względnie obu zboczy impulsu, w zależności od • wartości chwilowej modulującego sygnału błędu, natomiast • częstotliwość powtarzania impulsów, okres oraz amplituda impulsów • są stałe, • - przetwornice z modulacja częstotliwości (PFM). W tych • przetwornicach sygnał błędu moduluje chwilową częstotliwość • impulsów, czyli liczbę impulsów przypadających na jednostkę czasu. Kryterium budowy obwodu głównego : - przetwornice dławikowe (o wspólnym węźle dla wejścia i wyjścia), - przetwornice transformatorowe ( o rozdzielonym wejściu i wyjściu).

8. 19.3. Przetwornice o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie od wejścia ( przetwornice dławikowe) 19.3.1. Przetwornica obniżająca napięcie stałe. IWE IL L C UWE UWY US RL Rys. 19.3.1.1. Podstawowy schemat przetwornicy obniżającej napięcie stałe.

9. Tranzystor spełnia rolę klucza , którego czasy włączenia ton i wyłączenia toff zależą od prostokątnego sygnału sterującego Us. Cewka indukcyjna gromadzi energię pola magnetycznego w czasie załączenia klucza ton (konwerter współbieżny) i przekazuje ją do obciążenia RL w czasie toff. W chwili, gdy tranzystor przewodzi prąd dławika IL i tym samym prąd kolektora IC (dioda D jest wówczas spolaryzowana zaporowo) narastają liniowo (rys.19.2.1.2).Po upływie czasu załączenia ton tranzystor znajdzie się w stanie wyłączenia (klucz rozwarty). Zgromadzona w polu magnetycznym energia indukuje SEM o odwrotnej polaryzacji i dioda D zaczyna przewodzić prąd do obciążenia. Napięcie wyjściowe jest wyrażone zależnością (19.3.1.1) (19.3.1.2)

10. γT T US t IL IL max IL min IL śr t IWE t ton toff Rys. 19.3.1.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie nadkrytyczne.

11. γT T US t IL t IWE t ton toff Rys. 19.3.1.3. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie krytyczne.

12. γT T US t IL t IWE t ton toff Rys. 19.3.1.4. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie podkrytyczne.

13. Przy obciążeniu podkrytycznym napięcie wyjściowe jest silnie uzależnione od rezystancji obciążenia. Zmiany te mogą być skorygowane przez zmianę współczynnika wypełnienia γ układu sterującego, pracującego w pętli sprzężenia zwrotnego. Jednak przy bardzo malej wartości prądu obciążenia napięcie wyjściowe zbliża się do napięcia wejściowego UWE i układ staje się niesterowalny poprzez zmiany γ. W praktyce tego typu układy pracują zawsze ze wstępnym obciążeniem oraz stosuje się dodatkowe zabezpieczenia przed niedopuszczalnym wzrostem napięcia wyjściowego. Przedstawione na rys. 19.3.1.2 – rys. 19.3.1.4 przebiegi czasowe są idealizowane, ponieważ nie uwzględniają takich parametrów jak: rezystancji dławika, zmiany indukcyjności dławika wywołane nasyceniem się rdzenia, skończoną rezystancję klucza w stanie załączenia i wyłączenia, indukcyjności rozproszenia.

14. 19.3.2. Przetwornica podwyższająca napięcie L ID IL D C UWE UWY US RL Rys. 19.3.2.1. Podstawowy schemat przetwornicy podwyższającej napięcie stałe (przetwornica przeciwbieżna).

15. Energia jest gromadzona w indukcyjności, w czasie gdy tranzystor kluczujący jest stanie przewodzenia, a następnie przekazywana poprzez diodę do kondensatora filtrującego oraz obciążenia podczas wyłączenia tranzystora (przetwornica przeciwbieżna). W układzie tym następuje sumowanie napięcia zasilającego oraz siły elektromotorycznej samoindukcji wytworzonej przez rozładowanie energii zgromadzonej w induktorze. Napięcie wejściowe jest wyższe od wejściowego i zależy od współczynnika wypełnienia impulsów sterujących. Przebiegi prądów w układzie dla przypadku, gdy prąd obciążenie I0 jest równy prądowi indukcyjności iL (obciążenie krytyczne) przedstawia rys.19.3.2.2..

16. γT T US t IL t IC t ID t ton toff Rys. 19.3.2.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy podwyższającej napięcie (przetwornica przeciwbieżna).

17. Napięcie wyjściowe zależy od wartości parametrów elementów zastosowanych w układzie i może być oszacowane jako równe : a) prąd cewki płynie przez cały okres T=ton + toff (19.3.2.1) b) prąd cewki płynie w interwale czasowym krótszym od okresu T (19.3.2.2) I0 - prąd obciążenia, f - częstotliwość impulsowania

18. 19.3.3. Przetwornica zmieniająca polaryzację napięcia IC IL L T C UWE UWY US RL Rys. 19.3.3.1. Podstawowy schemat przetwornicy zmieniającej polaryzację napięcia

19. W pierwszej fazie magazynowania energii, przy włączonym tranzystorze T , napięcie UWE jest przyłożone do indukcyjności L i prąd w niej narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana zaporowo (przetwornica przeciwbieżna). W drugiej fazie rozładowania, przy wyłączonym tranzystorze T, rozładowująca się indukcyjność przekazuje zgromadzoną w niej energię na wyjście układu. Część malejącego prądu iL indukcyjności płynie przez rezystancję obciążenia RL, a część ładuje wyjściowy kondensator C (poprzez przewodzącą diodę D), przy czym biegunowość napięcia wyjściowego jest przeciwna do biegunowości napięcia wejściowego.

20. γT T US t IL t IC t ton toff Rys. 19.3.3.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy zmieniającej polaryzację napięcia (przetwornica przeciwbieżna).

21. 19.4. Przetwornice transformatorowe IL L4 D1 RL * * D3 D2 L3 L1 L2 UWY C UWE * US CS RS DS Rys. 19.4.1. Podstawowy schemat transformatorowej przetwornica współbieżnej

22. RL D1 * C L1 L2 UWY UWE * US CS RS DS Rys. 19.4.2. Podstawowy schemat przetwornicy transformatorowej przeciwbieżnej

23. 19.5. Układy stabilizacyjne i zabezpieczające impulsowych stabilizatorów napięcia 19.5.1. Układy stabilizacyjne • Układy stabilizacyjne mogą pracować z wykorzystaniem modulacji : • szerokości impulsów (PWM), • częstotliwości (PFM). Układy stabilizacyjne pracujące z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsów (PWM) dzielimy z kolei na układy : -z „czystym” sprzężeniem zwrotnym napięciowym , -ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym i prądowym.

24. Napięcie wyjściowe uWY jest porównywane z napięciem odniesienia UREF, a wynikowy sygnał błędu uB jest z kolei porównywany z napięciem piłokształtnym uP o ustalonej częstotliwości. Wynikiem tego ostatniego porównania jest przebieg prostokątny o zmiennym współczynniku wypełnienia impulsów, sterujący kluczem tranzystorowym. Schemat blokowy układu stabilizacyjnego z modulacją szerokości impulsów ((PWM) , w którym pętla sprzężenia zwrotnego próbkuje nie tylko napięcie wyjściowe układu, ale również prąd płynący przez element kluczujący. Zastosowanie dodatkowego sprzężenia zwrotnego prądowego zapewnia większą odporność układu na pracę w warunkach przeciążenia oraz zapewnia lepsze parametry regulacji w sytuacji szybkich zmian prądu pobieranego z zasilacza.