ZASILACZE 

IMPULSOWE

mk

 

 

•zasilacze AC/DC  

- liniowe (np. stab. kompensacyjne) 

- impulsowe

•konwertery DC/DC

- impulsowe

•inwertery DC/AC 

- falowniki (impulsowe)

Układy elektronicznego przetwarzania energii

można podzielić na:

Wstęp

Switching power supplies - zasilacz impulsowy
Linear regulator - zasilacz kompensacyjny

 

 

Klasyczne zasilacze zawierają transformatory sieciowe na rdzeniach 
stalowych, układy prostowników i stabilizatory napięcia o działaniu 
ciągłym. Sprawność tych układów nie przekracza 60 - 70%.

Zastosowanie układów impulsowych zwiększa sprawność nawet do 
95%.  

Moc P przetwarzana przez zasilacz impulsowy jest proporcjonalna 
do:

•częstotliwości kluczowania (przełączania) f

p

•pola przekroju rdzenia cewki S

•jego indukcji B:

W praktyce częstotliwość przełączania f

p

 wynosi kilka do kilkuset 

kHz. Z jej wzrostem wymagane - przy danej mocy P - indukcyjności 
cewek (transformatorów) maleją. Maleją też rozmiary i ciężar 
zasilacza - rośnie tzw. gęstość mocy wyrażona w W/m

3

(ang. power density).

Wstęp

B

S

f

P

p







 

 

Wstęp

PRZYKŁAD:

Zasilacz impulsowy P=100W, U

0

=10V, I

0

=10A.

Przy f=20kHz rdzeń kubkowy ma średnicę ok. 
2,5cm.

2,5cm

Uzwojenia

 

 

Wstęp

„Zwykłe” diody prostownicze i kondensatory elektrolityczne 
(stosowane w prostownikach sieciowych przy f=(50Hz - 100Hz) nie 
nadają się do zasilaczy impulsowych.

Stosowane są tu diody Schotkiego i specjalne kondensatory, mogące 
pracować przy dużych poziomach składowych zmiennych o dużych 
częstotliwościach. Składowe zmienne napięcia na tych 
kondensatorach są często znacznie większe  od składowych stałych.

Kluczami (przełącznikami) tranzystory polowe (coraz częściej), z 
reguły typu MOSFET, lub bipolarne oraz diody. Można tu także 
spotkać szybkie tyrystory (rzadko).

Istnieją zasilacze impulsowe wytwarzające sygnały zmienne (trapez, 
sinusoida-trudniej) o częstotliwości około 50Hz. Nazywamy je 
FALOWNIKAMI. 

Falowniki służą do zasilania urządzeń przystosowanych nominalnie 
do zasilania z sieci prądu zmiennego 115V - 230V

 

 

Zalety zasilaczy impulsowych

Małe wymiary w stosunku do przetwarzanych mocy (duża 
gęstość mocy)

Duża sprawność.

Łatwość transformacji napięcia zasilającego (obniżanie, 
podwyższanie)

Izolacja galwaniczna między źródłem zasilającym (sieć 
AC) a obwodem wyjściowym i obciążeniem.

Możliwa praca przy małych napięciach zasilających: 
pojedyncze wolty

 

 

Wady zasilaczy impulsowych

Są źródłem zakłóceń utrudniających ich wykorzystanie 
(np. w aparaturze zawierającej bardzo czułe 
wzmacniacze). 

Są znacznie bardziej skomplikowane i rozbudowane niż 
stabilizator
o działaniu ciągłym, co powoduje zmniejszenie ich 
trwałości
i niezawodności. 

Gorsza jest stabilizacja napięcia wyjściowego U

0

 oraz 

mniejsza szybkość jego reakcji na zmiany obciążenia i 
napięć zasilających, w porównaniu do stabilizatorów 
kompensacyjnych.

 

 

Ze względu na sposób przekazywania energii ze 

źródła do obciążenia zasilacze impulsowe 

dzielimy na:

Współbieżne   (tzw. jednotaktowe)   

- średnie, duże i bardzo duże moce

Przeciwbieżne (tzw. dwutaktowe)     

-  małe i średnie moce
( nieco gorsze parametry energetyczne, 

większe 

              tętnienia oraz zwykle 

wyższe napięcia na         
                          tranzystorach kluczujących)

 

 

Moce przetwarzane przez konwertery napięcia 

stałego

Konwertery

przeciwbieżn

e

Konwertery współbieżne i współbieżne

z przetwornicami przeciwsobnymi

1

10

100

1000

10000

10

100

1000

U o

[V]

Konwertery współbieżne

przeciwsobne 

P o

[W]

Konwertery

przeciwbieżne

i współbieżneKonwertery

współbieżn

e

 

 

    Ze względu na doprowadzenie impulsowego sygnału sterującego 
     (kluczującego):

Obcowzbudne:

 

– sygnał sterujący wytwarza układ generatora wewnętrznego
   lub zewnętrznego - powszechnie stosowane

Samowzbudne:

– “same dla siebie” są generatorami (np. w lampach błyskowych)

 

 

Podział konwerterów ze względu na wartość napięcia 

wyjściowego

w stosunku do napięcia zasilającego:

Uwe>Uwy    -  podwyższajace (step-up, boost 

converters

Uwe<Uwy    -  obniżające  (step-down, buck 

converters) 

Podział  konwerterów względu na ilość kluczy i sposobów 

ich połączenia :

przeciwsobne (push-pull) 

- dwa klucze i transformator

        półmostkowe (half-bridge) - dwa klucze i 

transformator 
                       mostkowe (full bridge)       - cztery klucze i 
transformator

 

 

Porównanie parametrów zasilaczy liniowych i impulsowych

 

 

Straty mocy w tranzystorach kluczujących

(zarys)

U

d

s(t)

i

d

(t)

p(t)=u

d

s(t)*i

d

(t)

t

t

u

d

s(t)

i

d

(t)

Pśr

tof

ton

 

 

Przebieg prądu w cewce przy sterowaniu jej napięciem

u

L

(t)

i

L

(t)

dt

)

t

(

di

L

)

t

(

u

L

L



E(t)

)

0

(

i

dt

)

t

(

u

L

1

)

t

(

i

L

L

L







t

L

E

)

t

(

i

m

L



E(t)

i

L

t

t

E

m

2

MAX

LI

2

1

E 

I

MAX

Energia zgromadzona w cewce:

 

 

Przebieg prądu w cewce przy kluczowaniu napięciowym

u

L

(t)

i

L

(t)

dt

)

t

(

di

L

)

t

(

u

L

L



E

m

)

0

(

i

dt

)

t

(

u

L

1

)

t

(

i

L

L

L







t

L

E

)

t

(

i

m

L



u

L

(t)

i

L

t

t

E

m

C

P

wpływ C

P

 

 

Schemat blokowy typowego zasilacza 

impulsowego

Prostownik

U ~

U

I

Sterowany 

konwerter

napięcia stałego

Zasilacz impulsowy

Stabilizator impulsowy

U

o

Modulator

szerokości

impulsów



Filtr sygnału
błędu

Wzmacniacz

sygnału błędu

ref

U

Układ regulacji współczynnika wypełnienia 

DC/DC

 

 

    tzw. takty:

1   2    1   2   
1

Zasada działania konwertera napięcia stałego

T



T

t

I

U

U

o

u

1

(t)















 

T

t

T

  

0

T

t

0

  

U

 

=

 

(t)

u

 

U

=

U

1

1

I

o







Zamiana napięcia 

stałego U

I 

na prostokątne U

1

(klucze tranzystorowe i diodowe)

FILTR

LC

R

0

U

I

u

1

(t)

U

0

Jeżeli proces kluczowania jest bezstratny i filtr LC też nie wnosi strat,

to sprawność przetwarzania = 100%

 

 

KONWERTERY WSPÓŁBIEŻNE (JEDNOTAKTOWE)

 

 

Konwerter współbieżny (jednotaktowy) - 

bezstratny

T

Klucze a i b

Filtr LC

obciążenie

i

I

c

u

L

1

a
b

kb

2

U   (t)

1

i

i L

R

0

L

C

U

U

o

i

kb

I

o

dT



T

u

t

I

U

U

o

1



















dt

t

u

L

i

L

L

)

(

1

 

T

t

T

  

0

T

t

0

  

U

 

=

 

(t)

u

 

U

=

U

1

1

I

o







 

 

Przebiegi

w konw. 

współbieżn

ym

T

t

t

t

t

t

t

t

t0

t2

t1

t3

1

2

1

Sygnał sterujący
kluczami

u

1

U

I

di    /dt

L1

di    /dt

L2

I

Lmax

I

Lmin

i

di    /dt

L1

Io

Io

i

L

i

ka

di    /dt

L2

i

kb

Io

Qc

i

C

 ic

u

0

t0

t2

t1

t3

t4

t5

t6

U

0

 UO

U

0

 

 

Przebiegi w konwerterze współbieżnym, 

bezstratnym

             

-

















T

-

1

2L

U

+

I

=

i

T

-

1

2L

U

-

I

=

i

i

0.5

+

i

=

I

T

-

1

L

U

=

i

t

,

t

t

 

dla

 

i

+

t

L

U

-

=

(t)

i

t

,

t

t

 

dla

  

i

+

t

L

U

-

U

=

(t)

i

O

O

Lmax

O

O

Lmin

L

Lmin

o

o

L

2

1

Lmax

o

L2

1

0

Lmin

o

I

L1























  

T

-

1

8LC

U

=

u

i

8

T

=

t

-

t

i

2

1

2

1

=

Q

C

Q

 

=

 

(t)dt

i

C

1

=

u

2

O

O

L

4

5

L

C

C

t5

t4 c

O















 

 

Przebiegi prądu przy obciążeniu nadkrytycznym, 

krytycznym

i podkrytycznym w konwerterze współbieżnym, 

bezstratnym

t0         t1            t2           t3           t4          t5           t6           t7          t8           t9

obciążenie nadkrytyczne

obciążenie krytyczne

obciążenie podkrytyczne

zmiana kierunku prądu 
w cewce

i

L

Sygnał
sterujący

klucz włączony

klucz wyłączony

t

t

I0









  

T

-

1

2L

=

I

U

=

R

2L

T

-

1

U

=

I

Okr

O

Okr

I

Okr







I 

0 kr

 

 

Indukcyjność krytyczna w konwerterze 

współbieżnym

Minimalną wartość indukcyjności L

kr

,

przy której prąd w indukcyjności L nie zmienia kierunku

nazywamy

 

indukcyjnością krytyczną

Jeżeli L<L

kr

 to kierunek prądu płynącego przez klucze 

zmienia się.
Energia z obwodu wyjściowego jest oddawana z 
powrotem
do źródła zasilania U

I.

Jeżeli klucze nie są wstanie przewodzić prądu 
dwukierunkowo, wówczas napięcie wyjściowe U

0

 zaczyna 

wzrastać, aż do osiągnięcia wartości U

I

. 

Wartość L

kr

 maleje przy wzroście prądu obciążenia.

 

 

Można stwierdzić, że

 w bezstratnym konwerterze 

współbieżnym

Sprawność =100%

Napięcie na wejściu filtru (U

1

) zmienia się od zera do 

wartości napięcia zasilającego.

Maksymalne napięcie na kluczu jest równe napięciu 
zasilającemu U

I

.

Napięcie wyjściowe nie zależy od rezystancji obciążenia, 
jest natomiast zależne od napięcia zasilającego i 
współczynnika wypełnienia: U

O

=U

I

.

Prąd pobierany ze źródła zasilania płynie impulsami w 
czasie T.

Maksymalny prąd płynący przez klucz (i

Lmax

) w praktyce 

jest niewiele większy niż prąd wyjściowy I

O

, gdyż 

najczęściej i

L

<<I

O.

 

 

Współbieżny konwerter napięcia stałego

z kluczami jednokierunkowymi 

U

ster

Filtr

c

U

L

i

R

L

C

U

o

I o

Układ

sterujący

u

1

T

i

L

i

d

Klucz A

Klucz B

U

I

I

II

i

i

i

e

t0         t1            t2           t3           t4          t5  

obciążenie nadkrytyczne

obciążenie krytyczne

obciążenie podkrytyczne

i

L

t

t

U

ster

t

i

L max

U

1

T

U

I

i

L max

i

L max

 

 

Współbieżny konwerter napięcia stałego

z kluczami dwukierunkowymi 

c

U

L

i

i

dz

R

L

C

U

o

I

o

Układ

sterujący u

1

U

ster

U

ster

T ie

i

L

i

d

i

cz

Klucze

Filtr

Obciążenie

Klucz A dwukierunkowy

Klucz B dwukierunkowy

U

I

i

Lmax

Lmin

i

Lmin

i

i

Lmax

i

Lmax

t0                      t1                               t2                       t3

t7           t8                                        t9            t10

t0                      t1                               t2                       t3

t9

t10

t8

Uster

t

t

t

t

t

t

t

i

L

i

dz

I

o

i

e

i

d

i

cz

u

1

U

I

t7

dU

I

 

 

Obliczenia wartości napięcia wyjściowego





  

)

-

2(1

R

R

=

T

R

4L

=

 A

czym

 

przy

 

;

R

R

 

dla

  

1

2A

+

1

A

U

 

R

R

 

dla

          

          

U

=

U

lub

 

I

I

 

dla

TU

2LI

+

1

U

 

I

I

 

dla

  

          

U

=

U

R

U

=

I

=

i

 

; 

T

t

-

t

+

T

T

2

i

=

i

)

t

-

(t

L

U

 

=

 

T

L

U

-

U

=

i

2

O

kr

2

O

Okr

O

I

Okr

O

I

O

Okr

O

I

2

O

I

Okr

O

I

O

O

O

O

L

10

11

Lmax

L

10

11

O

O

I

Lmax























































 

 

Współbieżny konwerter napięcia stałego z 

izolacją galwaniczną : schemat ideowy i schemat 

zastępczy

R

L

Filtr

Klucz A

Klucz B

U I

K

T

Tr

1:p

D1

D2

o

pU T

U T

R

L

U I

K

T

D1

D2

o

pU

T

LG

i

i L

 C

U o

LG

C T

R s

i K

Ls

L  /p

s

2

I

I

II

II

Transformator

C

 

 

Współbieżny konwerter napięcia stałego z 

izolacją galwaniczną i układem zabezpieczającym

Schemat ideowy i przebiegi napięć i prądów

R

L

U

I

Tr

D1

D2

o

U

o

U

ster

G

i

i

R

C

D

R

p

R

R

o

i

C

U

k

T

t

t

t

t

t

U

ster

LG

i

R

i

G

i

U

k

LGmax

i

Ładunek pobrany ze źródła

Ładunek zwrócony do źródła

Cmax

i

LGmax

i

p

R

U  + U /p

R

I I

U

I

 

 

Zabezpieczenia przeciw przepięciowe

konwerterów przeciwbieżnych

R

Tr

D

o

U

o

C

p

U

 I

K

T

p

R

D

R

R

U =300V

Tr

D

o

U

o

U

ster

C

i

T

U

k

T

1

p

R

C

U

T

T

D

T

T

I

Tśr

I

20kHz

 

0



 

 

KONWERTERY   WEDŁUG  ICH   PRODUCENTÓW

( wg NATIONAL SEMICONDUCTORS)

 

 

Konwertery niesymetryczne

 

 

Średnie i niskie napięcia i moce,

bez izolacji galwanicznej obwodów wejściowych i 
wyjściowych:

•Buck regulator (=step down regulator - obniżający 
napięcie)

•Boost regulator (=step up regulator - podwyższający 
napięcie)

•Inverting regulator (=buck-boost

 - 

odwracający 

polaryzację)

Izolacja galwaniczna obwodów wejściowych i 
wyjściowych,
średnie moce (napięcia mogą być duże „10”V - „100”  
V):

•Flyback converter (dwutaktowy konwerter = 
przeciwbieżny)

Konwertery niesymetryczne

 

 

Buck regulator (=step down regulator - obniżający napięcie)

 

 

Boost regulator (step up - podwyższający napięcie)

 

 

Inverting regulator, (buck-boost - odwracający polaryzację)

 

 

Flyback converter -dwutaktowy konwerter (przeciwbieżny)

 

 

Przykładowy schemat blokowy zasilacza dwutaktowego

(przeciwbieżnego)

 

 

Cechy konwerterów przeciwbieżnych

Konwertery przeciwbieżne „nie lubią” pracy bez obciążenia. 
Stosuje się tzw. wstępne obciążenie, co pogarsza sprawność.

Przy braku obciążenia napięcia na kluczu osiągają bardzo duże wartości,
(przepięcia) dlatego w konwerterach przeciwbieżnych stosuje się
tzw. układy tłumiące, zmniejszające wartości napięć na kluczu

 

 

Przełącznik napięć sieciowych 115/230V

230V

115V

m. greatza

podwajacz

 

 

Forward conwerter - współbieżny (jednotaktowy) konwerter

 

 

Konwertery symetryczne

Przeciwsobny 

- push-pull

Półmostkowy 

- half bridge converter

Mostkowy 

-  bridge converter

 

 

Przeciwsobny konwerter - (=push-pull converter)

 

 

Półmostkowy - half bridge converter

 

 

Mostkowy - full bridge converter

 

 

Konwerter dwutaktowy - przykład symulacji w 

PSpice

 

 

Konwerter dwutaktowy - przykład symulacji w 

PSpice

(bezstratny transformator)

 

 

Konwerter dwutaktowy - straty w 

transformatorze TX1

 

 

Układy stabilizacji napięcia wyjściowego

Konwerter

napięcia

stałego

U

 I

R

 o

R

 p1

R

 p2

U

 ref

+

-

Generator

napięcia

trójkątnego

+

-

Modulator szerokości impulsów

Komparator

Wzmacniacz błędu

Filtr

U

 o

U

S

U

S

=K

U

(U

ref 

- pU

0

)

K

U

 

 

Nieliniowy modulator szerokości impulsów

+

-

Generator

Komarator

U

g

U

s

U

wy

 T

T

U

g

U

wy

U

s

t

t

k  =



d

dU

s

U

s

m

k

m

U

s

 

 

Konwertery samowzbudne - przykład

R

0

U

re

f

+

-

K

U

R

SD1

R

SD2

R

SD1

>>R

SD2

R

2

R

1

U

I

L

C

 

 

Konwertery o wielu napięciach wyjściowych

Stabilizowane jest tylko najbardziej krytyczne wyjście 
napięciowe

( regulacja współczynnika )

 Pozostałe wyjścia są niestabilizowane - komentarz.

Gdy trzeba, dołącza się stabilizatory kompensacyjne

 

 

Układy zabezpieczające konwerterów DC/DC

Układy tzw. miękkiego startu:
Współczynnik wypełnienia rośnie stopniowo, aż do 
osiągnięcia wartości nominalnej. Ochrona kluczy 
tranzystorowych i diod prostowniczych, do chwili 
naładowania się kondensatorów filtrujących.

Zabezpieczenia przeciążeniowe (prądowe).

Zabezpieczenia termiczne.

 

 

Konwertery DC/DC bezindukcyjne

Są to układy bez indukcyjności L.

Działanie polega na wytworzeniu w układzie generatora RC 
(przerzutnik astabilny), prostokątnego przebiegu zmiennego, który 
jest następnie prostowany w detektorze diodowym, uzyskując 
dowolną polaryzację napięcia wyjściowego.

Są to układy MAŁYCH mocy - na ogół miliwaty.
Napięcia: wolty, prądy - kilka-kilkanaście miliamperów.

Sprawności DUŻO mniejsze od konwerterów z indukcyjnościami.

Zalety: miniaturyzacja (układ scalony) plus kondensator filtrujący 
prostownika
(przy dużych częstotliwościach i MAŁYM poborze prądu o niewielkiej 
pojemności).

Zastosowanie:
Wytworzenie z bateryjki 3V napięcia, np. 15V( do zasilania 
przetworników AC/DC, wzmacniaczy operacyjnych, itp.), 
Wytworzenie napięcia ujemnego, przy zasilaniu bateryjnym 
(dodatnim), zmiana znaku napięcia zasilającego, np. z 5V na -5V itd.

 

 

„Domowe” przykłady zastosowania konwerterów 

DC/DC

Komputery - przeciwbieżne (flyback), czasami półmostkowe
Telewizory, magnetowidy, kamery, itp. - j.w.
Świetlówki energooszczedne - półmostkowe
Tzw. elektroniczne transformatory(!) do żarówek halogenowych 12V 
- półmostkowe
Lampy błyskowe - dwutaktowe, wytwarzają charakterystyczny 
„gwizd” 
o zmieniającej się (rosnącej) częstotliwości