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