ZASILACZE IMPULSOWE
2004. mk.
Wstęp
Klasyczne zasilacze zawierajÄ… 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 przełączającej, pola przekroju rdzenia S i jego indukcji B:
P H" f Å" S Å" B
H" Å" Å"
H" Å" Å"
H" Å" Å"
Częstotliwością przełączania f wynosi praktycznie od kilku kHz do
kilkuset kHz. Ze wzrostem częstotliwości kluczującej indukcyjności
cewek, transformatorów maleją. Maleją też rozmiary i ciężar zasilacza
Wstęp
PRZYKA
AD:
Zasilacz impulsowy P=100W, U0=10V, I0=10A.
Przy f=20kHz rdzeń kubkowy ma średnicę ok. 2,5cm.
Uzwojenia
2,5cm
Wstęp
 Zwykłe diody prostownicze i kondensatory elektrolityczne (z
prostowników sieciowych 50Hz - 100Hz) nie nadają się do zasilaczy
impulsowych.
Stosowane sÄ… diody Schotkiego i specjalne kondensatory.
Kluczami przełączającymi są diody i tranzystory bipolarne lub polowe
(coraz częściej), z reguły typu MOSFET, spotyka się także tyrystory.
Istnieją zasilacze impulsowe wytwarzające sygnały zmienne (trapez,
sinusoida)
o częstotliwości około 50Hz. Nazywamy je FALOWNIKAMI.
Falowniki służą do zasilania urządzeń normalnie zasilanych z sieci prądu
zmiennego.
Wady zasilaczy impulsowych
SÄ… z
ródłem zakłóceń utrudniających ich wykorzystanie (np. w aparaturze
zawierającej bardzo czułe wzmacniacze).
Są one znacznie bardziej skomplikowane i rozbudowane niż stabilizatory
o działaniu ciągłym, co powoduje zmniejszenie ich trwałości i
niezawodności.
Gorsza jest stabilizacja napięcia wyjściowego U0 oraz mniejsza szybkość
jego reakcji na zmiany obciążenia w porównaniu do stabilizatorów
kompensacyjnych.
Zalety zasilaczy impulsowych
Małe wymiary w stosunku do przetwarzanych mocy.
Duża sprawność.
A
atwość transformacji napięcia zasilającego.
Możliwość uzyskiwania izolacji galwanicznej między z
ródłem
zasilającym a obwodem wyjściowym i obciążeniem.
Możliwa praca przy małych napięciach zasilających: pojedyncze wolty
Ze względu na sposób przekazywania energii ze z
ródła do obciążenia
zasilacze impulsowe dzielimy na:
Współbieżne (tzw. jednotaktowe) - średnie i duże moce
Przeciwbieżne (tzw. dwutaktowe) - małe i średnie moce
(nieco gorsze parametry energetyczne)
Ze względu na doprowadzenie impulsowego sygnału sterującego
(kluczujÄ…cego):
Obcowzbudne  sygnał sterujący wytwarza układ generatora
wewnętrznego lub zewnętrznego
Samowzbudne   same dla siebie sÄ… generatorami
Podział ze względu na wartość napięcia wyjściowego:
Uwe>Uwy - podwyższajace (step-up)
UwePodział względu na ilość kluczy i sposobów ich połączenia :
przeciwsobne - dwa klucze i transformator
półmostkowe - dwa klucze i transformator (np. z. komputerów)
mostkowe - cztery klucze i transformator
Schemat blokowy typowego zasilacza impulsowego
Zasilacz impulsowy
Stabilizator impulsowy
Sterowany
konwerter
U ~ Prostownik U
I
napięcia stałego
U
o
DC/DC
´
Modulator Wzmacniacz
Filtr sygnału
szerokości sygnału błędu
błędu
impulsów
U
ref
UkÅ‚ad regulacji współczynnika wypeÅ‚nienia ´
Zasada działania konwertera napięcia stałego
u1(t)
tzw. takty:
Uo = UI´
´
´
´
U
I
1 2 1 2 1
U
o
U1 0 d" t d" ´T
d" d" ´
d" d" ´
d" d" ´
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
u1(t) = òÅ‚
´ òÅ‚
òÅ‚
T òÅ‚
t
0 ´T d" t d" T
´ d" d"
´ d" d"
´ d" d"
ół
ół
ół
ół
T
u1(t)
UI
U0
R0
Zamiana napięcia
FILTR
stałego UI na prostokątne U1
LC
(klucze tranzystorowe i diodowe)
Jeżeli proces kluczowania jest bezstratny i filtr LC też nie wnosi strat,
to sprawność przetwarzania ·= 100%
Konwerter współbieżny (jednotaktowy) - bezstratny
Klucze a i b
i
Filtr LC obciążenie
u
kb
I
L
d
T i
o
a L
U b L
I
i R0
c
C
U (t) U
i
1 o
kb
2
1
u
1
U = U ´
´
´
´
o I
U
I
U
o
U 0 d" t d" ´T
d" d" ´
d" d" ´
d" d" ´
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
u (t) = òÅ‚ 1
òÅ‚
òÅ‚
òÅ‚
1
0 ´T d" t d" T
´ d" d"
´ d" d"
´ d" d"
ół
ół
ół
ół
´
T
t
1
i = u (t )dt
=
=
=
L L
+"
+"
+"
+"
L
T
T
Sygnał sterujący
1 2 1
kluczami
t0 t1 t2 t3
UI
t
u1
U0
t
iL
di /dt di /dt
ILmax
L1 L2
Io
ILmin
Przebiegi
ika t
w konw.
di /dt
L1
Io
współbieżnym
i
ikb t
di /dt
L2
Io
iC t
Qc
t
´
ic
u0
U0
´
U
O
t0 t4 t1 t5 t2 t6 t3 t
Przebiegi w konwerterze współbieżnym, bezstratnym
UI - Uo
iL1(t) = t + iLmin dla t " t0 ,t1)
" )
" )
" )
L
- Uo
iL2 (t) = t + iLmax dla t " t1,t2 )
" )
" )
" )
L
Uo
"iL = (1 - ´ )T
" ( ´ )
" ( ´ )
" ( ´ )
L t5
QC
1
"uO = ic (t)dt =
"
"
"
+"
+"
+"
+"
Io = iLmin + 0.5"iL t4-
"
"
"
C C
UO 1 1 T
QC = Å" "iL(t5 - t4 ) = "iL
Å" " ( ) "
Å" " ( ) "
Å" " ( ) "
( ´ )
iLmin = IO - (1 - ´ )T
( ´ )
( ´ )
2 2 8
2L
UO
UO
"uO = (1 - ´ )T2
" ( ´ )
" ( ´ )
" ( ´ )
( ´ )
iLmax = IO + (1 - ´ )T
( ´ )
( ´ )
8LC
2L
Przebiegi prądu przy obciążeniu nadkrytycznym, krytycznym
i podkrytycznym w konwerterze współbieżnym, bezstratnym
T
Sygnał
IOkr = UI´ (1 - ´ )2L
´ ( ´ )
´ ( ´ )
´ ( ´ )
sterujÄ…cy
klucz włączony
UO
2L
ROkr = =
( ´ )
IOkr (1 - ´ )T
( ´ )
( ´ )
klucz wyłączony
t
iL
I0
I 0 kr
t
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9
zmiana kierunku prÄ…du w cewce
obciążenie nadkrytyczne
obciążenie krytyczne
obciążenie podkrytyczne
Indukcyjność krytyczna w konwerterze współbieżnym
Minimalną wartość indukcyjności Lkr,
przy której prąd w indukcyjności L nie zmienia kierunku
nazywamy indukcyjnością krytyczną
Jeżeli LEnergia z obwodu wyjściowego jest oddawana z powrotem
do z
ródła zasilania UI.
Jeżeli klucze nie są wstanie przewodzić prądu dwukierunkowo, wówczas
napięcie wyjściowe U0 zaczyna wzrastać, aż do osiągnięcia wartości UI.
Wartość Lkr maleje przy wzroście prądu obciążenia.
Można stwierdzić, że
w bezstratnym konwerterze współbieżnym
Sprawność =100%
Napięcie na wejściu filtru (U1) zmienia się od zera do wartości napięcia
zasilajÄ…cego.
Maksymalne napięcie na kluczu jest równe napięciu zasilającemu UI.
Napięcie wyjściowe nie zależy od rezystancji obciążenia, jest natomiast
zależne od napiÄ™cia zasilajÄ…cego i współczynnika wypeÅ‚nienia: UO=UI´.
PrÄ…d pobierany ze z
ródÅ‚a zasilania pÅ‚ynie impulsami w czasie ´T.
Maksymalny prąd płynący przez klucz (iLmax) w praktyce jest niewiele
większy niż prąd wyjściowy IO, gdyż najczęściej "iL<Współbieżny konwerter napięcia stałego
z kluczami jednokierunkowymi
Klucz A Klucz B
U
i
L
i i I
L
o
T
i e
L
i R
i
c
d
Układ
C
U sterujÄ…cy u U
I 1 o
II
I
Uster
Filtr
U
ster
t
U1
T
UI
iL
t
iL max iL
max
iL max
t
t0 t1 t2 t3 t4 t5
obciążenie nadkrytyczne
obciążenie krytyczne
obciążenie podkrytyczne
Współbieżny konwerter napięcia stałego
z kluczami dwukierunkowymi
Uster
Klucz A dwukierunkowy
Klucz B dwukierunkowy
i
dz
UL t3
i iL t0 t1 t2 t
i I
L
T i
e o
Lmax
L
icz
Io
id ic R
t7 t8 t9 t10
Układ
C
t
U sterujÄ…cy u U
idz
I 1 o
iLmin
t
ie
iLmax
U U
ster ster
Klucze Filtr Obciążenie
t8 t10 t
id iLmax
i
t9 t
cz
iLmin
u1 t7 t
UI
dU
I
t0 t1 t2 t3
t
Obliczenia wartości napięcia wyjściowego
UI - UO UO
iLmax = ´T = (t11 - t10 )
´
´
´
L L
iLmax t11 - t10 UO
´
´
îÅ‚´T Å‚Å‚
îÅ‚´ Å‚Å‚
îÅ‚ Å‚Å‚
îÅ‚ Å‚Å‚
i = +
L
ïÅ‚ śł ; iL = IO = RO
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
2 T T
ðÅ‚ ûÅ‚
ðÅ‚ ûÅ‚
ðÅ‚ ûÅ‚
ðÅ‚ ûÅ‚
UI´ dla IO e" IOkr
´ e"
´ e"
´ e"
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
UI
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
dla IO < IOkr
<
<
<
UO =
òÅ‚
òÅ‚
òÅ‚
òÅ‚
2LIO
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
1 +
2
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚ ´ TUI
ôÅ‚ ´
´
´
ół
ół
ół
ół
lub
UI´ dla RO d" ROkr
´ d"
´ d"
´ d"
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
Å„Å‚
4L Rkr 2(1 - ´ )
´
´
´
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
UO = =
òÅ‚U 1 + 2A - 1) dla RO > ROkr; przy czym A =
òÅ‚
òÅ‚
òÅ‚
I
2 2
( - ) >
( - ) >
( - ) >
(
ROT´ RO ´
´ ´
´ ´
´ ´
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ôÅ‚
ół A
ół
ół
ół
Wykresy unormowanego napięcia wyjściowego współbieżnego konwertera dla
różnych wartoÅ›ci współczynnika ´ w funkcji odwrotnoÅ›ci rezystancji
´
´
´
i prądu obciążenia
Uo
UI
Zależność dla kluczy jednokierunkowych
1
´=0,7
0,7
Zależność dla kluczy dwukierunkowych
´ =0,5
0,5
Obszar obciążenia nadkrytycznego
´ =0,3
0,3
Obszar obciążenia podkrytycznego
´ =0,1
0,1
(1/Ro)(2L/T)
0,1 0,3 0,7 1
Uo
UI
1
´ =0,7
0,7
´ =0,5
0,5
Obszar obciążenia podkrytycznego
´ =0,3
0,3
Obszar obciążenia nadkrytycznego
´ =0,1
0,1
(1/Io)(2L/T)
0,1 0,3 0,7 1
Współbieżny konwerter napięcia stałego z izolacją
galwaniczną : schemat ideowy i schemat zastępczy
Klucz A Klucz B
´T Tr
D1
K 1:p L
R
o U
U U pU C o
I T T D2
Filtr
Transformator
i Ls L /p2 i L
´T
K s D1 L
K
I
i R
LG o
R
s C C
U T LG pU
I T D2
II
II
I
Współbieżny konwerter napięcia stałego z izolacją
galwaniczną i układem zabezpieczającym
Schemat ideowy i przebiegi napięć i prądów
U
ster
Tr D1
L
i
R
D C
R
R
t
U
o
o
p D2 i
A
adunek pobrany ze z
ródła
R
LG
i
LGmax
U
I
i
A
adunek zwrócony do z
ródła
t
G
i
R
i
i U
LGmax
C k
p
R
R
o
U
i t
T
ster
G
i
Cmax
t
U
k
U + U /p
I I R
U
I
t
Uproszczone schematy konwerterów współbieżnych:
półmostkowy, przeciwsobny i mostkowy
K
a
Tr
p
półmostkowy
C
1 p
1 1
2UI
przeciwsobny
UI K K
C
a b
K
b
K K
1b 1a
p
UI
1
mostkowy
K
2a
K
2b
Współbieżny konwerter napięcia stałego
z przetwornicą półmostkową
Klucz Prostownik Filtr Obciążenie
Dz1
D11
L
Tr
R
U1 U
D2
UB1 C o o
C p
B
1
Ka
2U I p
Tr
C Dz2
B C
D12
1 p
2U
I
UB2
C
Kb
Przeciwsobny układ współbieżnego konwertera napięcia
stałego: uproszczony schemat układu i przebiegi
a1
Tr D12
b
L
a2
C
p R
U1 U o
D2 o
1
Ut p
U U
I I
D11
Sygnał sterowania klucza
a1 a2 a1 a2 a1
b b b b b b
t
Ut
UI
t
-UI
T
U1 ´T
´
pU U = pUI
I o
t
Konwertery przeciwbieżne (dwutaktowe)
Przeciwbieżny konwerter napięcia stałego
U
t i i
k c
C
Z indukcyjnością
R
U o
1 o
i
U d I
I o
´
´
´
´
U0 = U Å" p Å"
= Å" Å"
= Å" Å"
= Å" Å"
i
I
k
1 - ´
- ´
- ´
- ´
K
U U
K I
Uk max = >> U
= >>
= >>
= >>
I
i
1 - ´
- ´
- ´
- ´
d I
o
U
t i
c
C
Z transformatorem
R
U o
1 o
p
U
I
i
k
K
U
K
Uproszczone przebiegi w konwerterze przeciwbieżnym
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
Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
konwerterów przeciwbieżnych
D
Tr
DR
C
R
o
p U
o
U pR
I
K
´
T
Tr
U =300V
I R C
T R
U o
o
1 p
D
DT i
T
I
Tśr
C
T
U
T
U
k
20kHz
´=0,5
U
ster T
Wykresy unormowanego napięcia wyjściowego
przeciwbieżnego konwertera przy różnych wartościach
współczynnika ´ w funkcji odwrotnoÅ›ci rezystancji obciążenia
Uo
U
I
2,2
1,9
´=0,65
1,0
´=0,5
0,6
´=0,3
Obszar obciążenia nadkrytycznego
Obszar obciążenia podkrytycznego
0,2
´=0,1
(1/Ro)(2L/T)
0,1 0,3 0,7 1
Konwerter dwutaktowy - przykład symulacji w PSpice
Konwerter dwutaktowy - przykład symulacji w PSpice
Konwerter dwutaktowy - straty w transformatorze TX1
Porównanie właściwości konwerterów napięcia stałego
1000
[V]
Konwertery współbieżne
przeciwsobne
100
Konwertery
przeciwbieżne
U
Konwertery
o
przeciwbieżne
i współbieżne
10
Konwertery
współbieżne
1 10 100 1000 [W] 10000
P
o
Konwertery współbieżne i współbieżne
z przetwornicami przeciwsobnymi
Układy stabilizacji napięcia wyjściowego
U
o
Konwerter
U napięcia
I
stałego
R
p1
R
o
Komparator
US=KU(Uref - pU0)
R
p2
- +
Generator -
US
KU+
napięcia Filtr
trójkątnego
U
ref
Modulator szerokości impulsów
Wzmacniacz błędu
Nieliniowy modulator szerokości impulsów
Us Ug
Us
-
Uwy
Ug
+ Us
Komarator
Generator
t
Uwy
km
d´
´
T
k =
m
dUs t
T
Us
Konwertery samowzbudne - przykład
L
C
R1
R0
UI
-
KU
+
R2
RSD1
RSD2
RSD1>>RSD2
Uref
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
filtrujÄ…cych.
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 MAA
YCH 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 MAA
YM 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 - półmostkowe najczęściej, czasami dwutaktowe
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