18

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 2/2003

Jak zmniejszyæ poziom zaburzeñ

wytwarzanych przez zasilacze

impulsowe

Dzia³ania maj¹ce na celu ograniczenie po-

ziomu zaburzeñ wytwarzanych przez zasi-

lacze impulsowe cechuje znaczna ró¿norod-

noœæ. Ich realizacja czêsto nie sprzyja spe³-

nieniu wymagañ dotycz¹cych ograniczeñ

strat mocy elektrycznej w uk³adzie i efektyw-

nemu odprowadzaniu energii cieplnej.

Jeœli chodzi o zmniejszenie promieniowania

z pêtli, w których wystêpuj¹ du¿e zmiany

pr¹dów di/dt, to mo¿na to uczyniæ zmniejsza-

j¹c ich powierzchnie (ulepszaj¹c topologiê

uk³adu) oraz dobieraj¹c elementy o ma³ych

rozmiarach, np. dostosowane do monta¿u

powierzchniowego. Natomiast bezpoœre-

dnia redukcja wartoœci di/dt przez zmniejsze-

nie czêstotliwoœci prze³¹czania prowadzi

do strat mocy i zwiêkszenia wymaganych

rozmiarów induktorów. Kompromis mo¿na

w tym przypadku osi¹gn¹æ dobieraj¹c odpo-

wiednio szeregow¹ rezystancjê bramki tran-

zystora MOS lub rezystancjê w obwodzie

bazy tranzystora bipolarnego (rys. 3).

Redukcjê szybkoœci zmian napiêcia du/dt

uzyskuje siê do³¹czaj¹c uk³ady t³umi¹ce

(snubber _ uk³ady ”amortyzuj¹ce”) w od-

powiednich wêz³ach uk³adu, a g³ównie na

elementach prze³¹czaj¹cych i diodach pro-

stowniczych mocy [3]. Innymi dzia³aniami

w tym zakresie jest zapobieganie rozprosze-

niu strumienia magnetycznego (”up³ywnoœci”

induktorów), np. przez stosowanie rdzeni

toroidalnych i ekranów oraz utrzymywanie

ma³ych zmian pr¹du di/dt.

Tranzystor pracuj¹cy jako prze³¹cznik mu-

si gwa³townie przerywaæ przep³yw du¿ych

pr¹dów i blokowaæ napiêcia narastaj¹ce

szybko do du¿ych wartoœci. Straty mocy

wystêpuj¹ zw³aszcza przy przejœciu tran-

zystora ze stanu w³¹czenia do stanu wy³¹-

czenia, gdy chwilowo mog¹ zachodziæ na

siebie opadaj¹ce zbocze pr¹du i narastaj¹-

ce zbocze napiêcia. Sposobem na ograni-

czenie energii wydzielanej w tranzystorze lub

diodzie prostowniczej oraz na t³umienie

oscylacji przy prze³¹czaniu jest w³aœnie do-

³¹czenie wspomnianych wy¿ej obwodów

t³umi¹cych, najczêœciej w formie dwójników

RC lub RCD (z woln¹ diod¹). Odpowiednie

zmiany przebiegów napiêciowych wskazu-

j¹ce na skutecznoœæ tego sposobu s¹ poka-

zane na rys. 4.

Najmniejsze zmiany pr¹dów (di/dt) oraz na-

piêæ (du/dt) dla danej czêstotliwoœci prze³¹-

czania mo¿na otrzymaæ stosuj¹c konfigura-

cje uk³adowe przetwornic sta³opr¹dowych

znane pod ogólnym okreœleniem przetwor-

nic rezonansowych (lub quasi-rezonanso-

wych). W rozwi¹zaniach tych tranzystory

prze³¹czaj¹ce kieruj¹ energiê do obwodu re-

zonansowego LC, w którym otrzymaæ mo¿-

na kszta³t przebiegów pr¹dowych i napiêcio-

wych bliski sinusoidalnemu. Tranzystor w ta-

kim uk³adzie przerywa przep³yw pr¹du, gdy

napiêcie jest bliskie zeru lub powoduje blo-

kowanie napiêcia, gdy wartoœæ pr¹du zbli¿a

siê do zera. Obwody, które s¹ w³¹czane

i wy³¹czane przy zerowej wartoœci pr¹dów

nosz¹ nazwê obwodów prze³¹czanych

w zerze pr¹du (ZCS _ zero current swit-

ching). Poniewa¿ dostatecznie du¿a ener-

gia nie zwi¹zana bezpoœrednio z funkcjono-

waniem uk³adu jest magazynowana w wyj-

œciowej pojemnoœci tranzystora prze³¹cza-

j¹cego, przeto zmniejszenie strat z tej przy-

czyny mo¿na osi¹gn¹æ stosuj¹c obwody

prze³¹czane w zerze napiêcia (zero voltage

switching). W przetwornicach rezonanso-

wych czêstoœæ zmian pr¹du i napiêcia zale-

¿y od do³¹czonego obwodu reaktancyjnego

LC i mo¿e byæ nieco mniejsza ni¿ przy ste-

rowaniu szerokoœci¹ impulsów (PWM), gdy

wytwarzane s¹ przebiegi elektryczne w for-

mie zbli¿onej do fali prostok¹tnej lub trójk¹t-

nej. Parametrem kontrolnym jest wiêc w tych

przetwornicach czêstoœæ powtarzania im-

pulsów, a nie wspó³czynnik wype³nienia.

Oprócz przetwornic rezonansowych (sinu-

soidalnych) ma³e têtnienia pr¹dów i niskie

poziomy wytwarzanych zaburzeñ zapew-

niæ mo¿e konstrukcja zaproponowana

w 1970 r. przez S. Æuka, znana jako konwer-

ter Æuka lub podwy¿szaj¹co-obni¿aj¹cy

(boost-buck converter) [5]. Jest to prawie

idealny transformator sta³opr¹dowy nie wy-

magaj¹cy dodatkowych elementów filtruj¹-

cych w celu redukcji poziomów zaburzeñ.

W przypadku mniejszych mocy, stosowaæ

mo¿na oddzielny radiator zamontowany na

obudowie lub w obudowie tranzystora. Je-

œli radiator taki po³¹czy siê ze Ÿród³em tran-

zystora MOS, jak pokazano na rys. 5a (lub

emiterem tranzystora bipolarnego), to stano-

wiæ on bêdzie ekran elektrostatyczny zmniej-

szaj¹cy pojemnoœæ drenu (lub kolektora)

do chassis.

Jeœli natomiast sam tranzystor lub radiator

zamontowane bêd¹ na chassis, to przez

paso¿ytnicz¹ roz³o¿on¹ pojemnoœæ dren-

chassis (lub kolektor-chassis) p³yn¹æ bêd¹

sygna³y zaburzaj¹ce o charakterze wspól-

nym (niesymetryczne). Aby poddaæ je pew-

nej kontroli i zapewniæ dogodn¹ drogê prze-

p³ywu pr¹du zaburzeñ zaleca siê zainstalo-

waæ kondensator o du¿ej wartoœci napiêcia

przebicia (typu Y) miêdzy Ÿród³em (emite-

rem) a chassis, rys. 5b [4].

W przypadku, gdy wewnêtrzne elektrody

ZASILACZE IMPULSOWE

RÓD£EM ZABURZEÑ

ELEKTROMAGNETYCZNYCH

(2)

r

PORADNIK

ELEKTRONIKA

Rys. 3. Rezystor w obwodzie steruj¹cym bramki

tranzystora prze³¹czaj¹cego

470

Ω

Rys. 4. Obwód t³umi¹cy:

a _ do³¹czenie obwodu do tranzystora,

b _ uzyskiwane przebiegi napiêciowe:

krzywa 1 _ bez obwodu t³umi¹cego,

krzywa 2 _ przy do³¹czonym obwodzie t³umi¹cym

U

Q

1

2

lub

R

C

t

R

D

C

a)

U

Q

b)

SGSP479

19

tranzystora s¹ po³¹czone z obudow¹, to trze-

ba j¹ izolowaæ od radiatora lub chassis. Grub-

sza warstwa izolacyjna np. miki lub zastoso-

wanie innego materia³u o wiêkszej przenikal-

noœci dielektrycznej mo¿e oczywiœcie znacz-

nie zmniejszyæ pojemnoœci paso¿ytnicze, ale

zwiêkszy z kolei rezystancjê termiczn¹ i po-

gorszy odprowadzanie ciep³a.

Warto wspomnieæ o jeszcze jednym sposo-

bie obni¿ania poziomu generowanych zabu-

rzeñ, który polega na modulowaniu czêsto-

tliwoœci pracy elementów prze³¹czaj¹cych.

To obni¿enie jest nastêpstwem rozp³aszcze-

nia i poszerzenia widma zaburzeñ w kierun-

ku wiêkszych czêstotliwoœci. Dewiacja zasa-

dniczej czêstotliwoœci prze³¹czania mo¿e

byæ rzêdu kilku procent i mo¿na j¹ prze-

prowadziæ wykorzystuj¹c zdeterminowany

sygna³ elektryczny lub sygna³ losowy.

Podsumowanie

Zasilacze impulsowe z przetwornicami sta-

³opr¹dowymi stanowi¹ potencjalne Ÿród³o

zaburzeñ o ma³ych i wielkich czêstotliwo-

œciach, reprezentowanych przez harmo-

niczne czêstotliwoœci sieciowej oraz har-

moniczne wynikaj¹ce z pracy elementu

prze³¹czaj¹cego, le¿¹ce praktycznie w za-

kresie do kilkudziesiêciu MHz. Do najwa¿-

niejszych sposobów redukcji poziomu zabu-

rzeñ promieniowanych, a zw³aszcza prze-

wodzonych nale¿¹ [2]:

q

filtracja sygna³ów zak³ócaj¹cych na wej-

œciu i ewentualnie tak¿e wyjœciu zasilacza,

q

stosowanie uk³adów z korekcj¹ wspó³-

czynnika mocy (PFC),

q

w³aœciwy dobór tranzystorów prze³¹cza-

j¹cych, zmniejszanie ich pojemnoœci wyj-

œciowej i ekranowanie,

q

stosowanie diod usprawniaj¹cych o ³a-

godnym przebiegu charakterystyki odzyski-

wania zdolnoœci zaworowej oraz innych ele-

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 2/2003

mentów uk³adu dostosowanych do monta-

¿u powierzchniowego,

q

staranne zaprojektowanie p³ytki drukowa-

nej i jej wykonanie zmierzaj¹ce do zmniej-

szenia powierzchni pêtli pr¹dowych,

q

ekranowanie uzwojeñ transformatora

w.cz.,

q

stosowanie uk³adów steruj¹cych prze³¹-

czaniem z dewiacj¹ czêstotliwoœci prze³¹-

czania,

q

wykorzystanie zasady przetwarzania si-

nusoidalnych sygna³ów mocy za pomoc¹

przetwornic rezonansowych.

n

Jerzy F. Ko³odziejski

L I T E R AT U R A
[1]. J.F.Ko³odziejski: Zasilacze impulsowe - zasada dzia-
³ania, budowa i rodzaje. Elektronizacja nr 7, 1994, 8-12
[2]. Praca zbiorowa: Zak³ócenia w aparaturze elektronicz-
nej. Radioelektronik Warszawa 1995
[3]. J.F.Ko³odziejski, L.Spiralski: Zak³ócenia w zasila-
czach impulsowych i uk³adach tyrystorowych. Prace In-
stytutu Technologii Elektronowej 1991 z.12, 137-164
[4]. P. Vallittu, T.Laurinen, I.Nisonen, S.Ritamäki:
Design for EMC in Switched-Mode Power Supplies.
EPE

,

99 Lausanne, P.1- P.9

[5]. T. Williams: EMC for product designers. Newnes
Oxford 1996

a)

b)

Cy

Rys. 5. Redukcja zaburzeñ wspólnych

wytwarzanych przez element prze³¹czaj¹cy przy

do³¹czeniu radiatora:

a _ do elektrody tranzystora, b _ do chassis

chassis