Co je to spínaný zdroj?

Spínaný zdroj je zařízení, které dodává stejnosměrný proud pomocí metody řízení spínání mezi stejnosměrnými zdroji.

Konvenční napájecí zdroje lze obecně rozdělit do dvou typů: lineární typ, který je levný, ale těžký díky své jednoduché obvodové struktuře, a spínací typ, který je kompaktní díky použití integrovaných obvodů. Vzhledem k jejich příslušným charakteristikám se lineární typ používá pro jednoduché AC adaptéry, zatímco spínací typ se používá k napájení elektronických součástek v provozovnách.

Aplikace spínaných zdrojů

Spínané zdroje se používají k napájení průmyslových informačních zařízení. V posledních letech, kdy se elektronická zařízení stala složitější, se AC adaptéry přesunuly z vysoce výkonných lineárních systémů na kompaktní spínací systémy.

Navíc s rozšiřováním USB napájecích zdrojů se spínané napájecí zdroje staly nepostradatelnou součástí pro napájení kompaktních elektronických zařízení. V průmyslové oblasti jsou spínané napájecí zdroje široce používány jako součásti, které trvale dodávají stejnosměrný proud pro pohon elektronických řídicích součástí, jako jsou solenoidové ventily a senzory v automatizovaných zařízeních.

Princip činnosti spínaných zdrojů

Spínaný zdroj je zařízení, které odebírá zdroj střídavého proudu, například 100 VAC, převádí jej na zdroj stejnosměrného proudu, například 5-30 VDC, a stabilně jej napájí.

Konfigurace obvodu typického spínaného zdroje je následující:

• Vstupní usměrňovací a usměrňovací obvod
  Vstupní zdroj střídavého proudu je co nejvíce vyhlazený.
• Spínací obvod
  Lze přepnout z AC na DC.
• Výstupní usměrňovací a usměrňovací obvod
  Vyhlazuje DC zkreslení po konverzi.
• Schéma ovládání
  Řídí výstupní napětí a výstupní výkon.

Tato konfigurace umožňuje stabilní konstantní proud s konstantním napětím.

Další informace o spínaném zdroji

1. Rozdíl mezi usměrňovačem a napájecím zdrojem

Usměrňovač je obecný název pro prvek, který má vlastnost vést proud v jednom směru, zatímco napájecí zdroj je obecný název pro napájecí zdroj. Usměrňovač lze nazvat prvkem, který převádí střídavý zdroj na stejnosměrný zdroj. Je to dioda nebo spínací zařízení, které umožňuje proudění proudu jedním směrem.

Existují dva typy usměrnění: půlvlnné usměrnění a celovlnné usměrnění.

Půlvlnné usměrnění
V obvodech střídavého proudu protékají střídavě kladné a záporné proudy a „půlvlnné usměrnění“ odstraňuje buď kladný nebo záporný proud. Konfigurace obvodu je jednoduchá a levná, ale účinnost je nízká a nemůže zvládnout velké proudy.

Celovlnná rektifikace
Celovlnná usměrnění je technika, která přijímá kladné i záporné proudy a mění je na jednosměrný proud. Tato metoda se používá především u spínaných zdrojů. Ve srovnání s půlvlnným usměrněním je celovlnné usměrnění účinnější a zvlnění lze potlačit v menší míře.

Celovlnná usměrnění zahrnuje metodu využívající dvě diody a metodu můstkového obvodu, která kombinuje čtyři diody. Protože proud po těchto usměrněních je nestabilní, je výstup usměrňovače kombinován s obvodem, jako je kondenzátor pro vyhlazení, aby se odstranilo zvlnění a fungoval jako napájecí zdroj.

2. Důvody selhání spínaného zdroje

Existují “vnější faktory” a “vnitřní faktory”, které způsobují poruchy spínaných zdrojů.

Selhání způsobené vnějšími faktory

• Fyzická destrukce
• Náhlý příliv vysokého napětí nebo hluk v důsledku blesku
• Porucha v důsledku zkratu v důsledku vniknutí prachu nebo vlhkosti
• Zničení různých částí okruhu vlivem chemikálií nebo korozivních plynů

Zejména náhlá aplikace vysokého napětí v důsledku úderu blesku zničí každý článek a další elektronické součástky uvnitř napájecího zdroje. Aby se předešlo těmto poruchám, je efektivní instalovat ochranná zařízení, jako jsou přepěťové ochrany.

Selhání způsobená vnitřními faktory
Vnitřní faktory jsou způsobeny opotřebením nebo poruchou elektrolytických kondenzátorů, chladicích ventilátorů, polovodičových součástek atd. Životnost napájecího zdroje je velmi závislá na prostředí, ve kterém je používán, době jeho používání a dalších faktorech.

Spínaný zdroj je invertorový systém, ve kterém je usměrněno vstupní střídavé napětí a následně je výsledné stejnosměrné napětí přeměněno na vysokofrekvenční impulsy s nastaveným pracovním cyklem, které jsou obvykle přiváděny do impulsního transformátoru.

Pulzní transformátory jsou vyráběny na stejném principu jako nízkofrekvenční transformátory, pouze jádro není ocelové (ocelové pláty), ale feromagnetické materiály – feritová jádra.

Rýže. Jak funguje spínaný zdroj?

Spínané výstupní napětí napájecího zdroje stabilizovanýTo se děje prostřednictvím záporné zpětné vazby, která umožňuje udržet výstupní napětí na stejné úrovni, i když se změní vstupní napětí a výkon zátěže na výstupu jednotky.

Negativní zpětnou vazbu lze realizovat pomocí jednoho z přídavných vinutí v pulzním transformátoru nebo pomocí optočlenu, který je připojen k výstupním obvodům napájecího zdroje. Použití optočlenu nebo jednoho z vinutí transformátoru umožňuje galvanické oddělení od sítě střídavého napětí.

Hlavní výhody spínaných zdrojů (SMPS):

• nízká hmotnost konstrukce;
• malé velikosti;
• vysoký výkon;
• vysoká účinnost;
• nízké náklady;
• vysoká stabilita;
• široký rozsah napájecích napětí;
• mnoho hotových komponentových řešení.

Nevýhody SMPS zahrnují skutečnost, že takové napájecí zdroje jsou zdrojem rušení, což je způsobeno principem činnosti obvodu převodníku. K částečnému odstranění tohoto nedostatku je použito stínění obvodu. Také kvůli této nevýhodě je v některých zařízeních použití tohoto typu napájení nemožné.

Spínané zdroje se staly prakticky nepostradatelným atributem všech moderních domácích spotřebičů, které spotřebovávají energii ze sítě nad 100 W. Do této kategorie spadají počítače, televize a monitory.

Pro vytvoření spínaných zdrojů, jejichž příklady konkrétních implementací budou uvedeny níže, se používají speciální obvodová řešení.

Pro eliminaci průchozích proudů přes výstupní tranzistory některých spínacích zdrojů se tedy používá speciální forma impulsů, a to obdélníkové bipolární impulsy s časovým intervalem mezi nimi.

Doba trvání tohoto intervalu musí být větší než doba resorpce menšinových nosičů v bázi výstupních tranzistorů, jinak dojde k poškození těchto tranzistorů. Šířku řídicích impulsů lze měnit pomocí zpětné vazby pro stabilizaci výstupního napětí.

Typicky se pro zajištění spolehlivosti spínaných zdrojů používají VU tranzistory, které se díky technologickým vlastnostem neliší k lepšímu (mají nízké spínací frekvence, nízké koeficienty přenosu proudu, značné svodové proudy, velké úbytky napětí na kolektoru křižovatka v otevřeném stavu).

To platí zejména pro dnes již zastaralé modely domácích tranzistorů jako KT809, KT812, KT826, KT828 a mnoho dalších. Stojí za zmínku, že v posledních letech se objevila důstojná náhrada za bipolární tranzistory, které se tradičně používají ve výstupních fázích spínaných zdrojů.

Jedná se o speciální vysokonapěťové tranzistory s efektem pole domácí a především zahraniční výroby. Kromě toho existuje řada mikroobvodů pro spínání napájecích zdrojů.

Obvod generátoru impulzů s nastavitelnou šířkou

Bipolární symetrické impulsy nastavitelné šířky lze získat pomocí generátoru impulsů podle zapojení na obr. 1. Zařízení lze použít v obvodech pro automatickou regulaci výstupního výkonu spínaných zdrojů. Čip DD1 (K561LE5/K561 LAT) obsahuje obdélníkový pulzní generátor s pracovním cyklem 2.

Symetrie generovaných impulsů je dosaženo nastavením odporu R1. Pracovní frekvenci generátoru (44 kHz) lze v případě potřeby změnit volbou kapacity kondenzátoru C1.

Rýže. 1. Obvod tvarovače bipolárních symetrických impulzů nastavitelné délky.

Napěťové komparátory jsou sestaveny na prvcích DA1.1, DA1.3 (K561KTZ); na DA1.2, DA1.4 – výstupní klávesy. Na vstupy komparátorových spínačů DA1.1, DA1.3 jsou obdélníkové impulsy přiváděny v protifázi přes tvořící RC diodové řetězce (R3, C2, VD2 a R6, SZ, VD5).

Nabíjení kondenzátorů C2, SZ probíhá podle exponenciálního zákona přes R3 a R5, v tomto pořadí; vybití – téměř okamžitě přes diody VD2 a VD5. Když napětí na kondenzátoru C2 nebo SZ dosáhne provozního prahu spínačů komparátoru DA1.1 nebo DA1.3, jsou zapnuty a rezistory R9 a R10, stejně jako řídicí vstupy tlačítek DA1.2 a DA1.4, jsou napojeny na kladný pól zdrojové výživy.

Vzhledem k tomu, že spínače jsou zapínány v protifázi, dochází k takovému spínání striktně jeden po druhém, s pauzou mezi impulsy, což vylučuje možnost průchodu proudu spínači DA1.2 a DA1.4 a jimi řízenými tranzistory měniče, pokud je bipolární pulzní generátor se používá v spínaném napájecím obvodu.

Plynulé řízení šířky impulsu se provádí současným přivedením startovacího (počátečního) napětí na vstupy komparátorů (kondenzátory C2, SZ) z potenciometru R5 přes diodově odporové řetězce VD3, R7 a VD4, R8. Maximální úroveň řídicího napětí (maximální šířka výstupního impulsu) se nastavuje volbou rezistoru R4.

Zatěžovací odpor lze připojit pomocí můstkového obvodu – mezi bodem připojení prvků DA1.2, DA1.4 a kondenzátorů Ca, Cb. Impulzy z generátoru mohou být také přiváděny do tranzistorového výkonového zesilovače.

Při použití bipolárního pulzního generátoru v spínaném napájecím obvodu by měl odporový dělič R4, R5 obsahovat regulační prvek – tranzistor s řízeným polem, optočlenovou fotodiodu apod., který umožňuje při poklesu/zvýšení zatěžovacího proudu automaticky upraví šířku generovaného impulsu, čímž řídí výkon výstupního měniče.

Jako příklad praktické realizace spínaných zdrojů uvádíme popisy a schémata některých z nich.

Spínaný napájecí obvod

Spínaný zdroj (obr. 2) sestává z usměrňovačů síťového napětí, hlavního oscilátoru, obdélníkového tvarovače impulsů s nastavitelnou dobou trvání, dvoustupňového zesilovače výkonu, výstupních usměrňovačů a obvodu stabilizace výstupního napětí.

Hlavní oscilátor je vyroben na mikroobvodu typu K555LAZ (prvky DDI .1, DDI .2) a produkuje obdélníkové impulsy o frekvenci 150 kHz. Na prvcích DD1.3, DD1.4 je namontován spouštěč RS, jehož výstupní frekvence je o polovinu nižší – 75 kHz. Řídicí jednotka doby trvání spínacího impulsu je implementována na mikroobvodu typu K555LI1 (prvky DD2.1, DD2.2) a doba trvání se nastavuje pomocí optočlenu U1.

Koncový stupeň tvarovače spínacích impulsů je namontován na prvcích DD2.3, DD2.4. Maximální výstupní výkon tvarovače pulsů dosahuje 40 mW. Předběžný výkonový zesilovač je vyroben na tranzistorech VT1, VT2 typu KT645A a koncový zesilovač je vyroben na tranzistorech VT3, VT4 typu KT828 nebo modernějších. Výstupní výkon kaskád je 2 a 60. 65 W, resp.

Signál odebraný z výstupu prvku DD2.1 a přiváděný na vstupy koincidenčního obvodu DD2.2 přímo a přes nastavitelný zpožďovací prvek (R3 – R5, C4, VD2, U1.1), díky své malé časové konstantě , dorazí téměř současně na vstupy obvodových zápalek (prvek DD2.2).

Na výstupu tohoto prvku se tvoří široké řídicí impulsy. Na primárním vinutí transformátoru T1 (výstupy prvků DD2.3, DD2.4) se tvoří bipolární impulsy nastavitelné délky.

Rýže. 2. Spínaný napájecí obvod.

Pokud z nějakého důvodu vzroste napětí na výstupu napájecího zdroje nad normál, proud začne protékat zenerovými diodami VD19, VD20, tranzistor VT5 se mírně otevře, VT6 se uzavře, čímž se sníží proud přes optočlen LED U1.2 .

V tomto případě se zvyšuje odpor fotodiody optočlenu U1.1. Doba trvání řídicích impulsů se snižuje a výstupní napětí (výkon) klesá. Při zkratu zátěže zhasne LED optočlenu, odpor fotodiody optočlenu je maximální a doba trvání řídicích impulsů je minimální. Tlačítko SB1 je určeno ke spuštění obvodu.

Při maximální době trvání se kladné a záporné řídicí impulsy časově nepřekrývají, protože mezi nimi existuje časová mezera v důsledku přítomnosti odporu R3 ve formovacím obvodu.

To snižuje pravděpodobnost průchozích proudů procházejících výstupními relativně nízkofrekvenčními tranzistory koncového stupně zesílení výkonu, kterým trvá dlouho absorbovat přebytečné nosiče na přechodu báze. Výstupní tranzistory jsou instalovány na žebrované chladiče o ploše nejméně 200 cm^2. Do obvodů báze těchto tranzistorů je vhodné instalovat odpory 10. 51 Ohmů.

Výkonové zesilovací stupně a obvod pro generování bipolárních impulsů jsou napájeny usměrňovači vyrobenými na diodách VD5 – VD12 a prvcích R9 – R11, C6 – C9, C12, VD3, VD4.

Transformátory T1, T2 jsou vyrobeny na feritových kroužcích K10x6x4,5 ZOOOM; TZ – K28x16x9 ZOOONM. Primární vinutí transformátoru T1 obsahuje 165 závitů drátu PELSHO 0,12, sekundární vinutí obsahuje 2×65 závitů PEL-2 0,45 (vinutí ve dvou drátech).

Primární vinutí transformátoru T2 obsahuje 165 závitů drátu PEV-2 0,15 mm, sekundární vinutí obsahuje 2×40 závitů stejného drátu. Primární vinutí transformátoru TZ obsahuje 31 závitů drátu MGShV se závitem do cambric o průřezu 0,35 mm^2, sekundární vinutí má 3 × 6 závitů drátu PEV-2 1,28 mm (paralelní zapojení). Při připojování vinutí transformátoru je nutné je správně nafázovat. Začátky vinutí jsou na obrázku znázorněny hvězdičkami.

Zdroj pracuje v rozsahu síťového napětí 130. 250 V. Maximální výstupní výkon při symetrické zátěži dosahuje 60. 65 W (stabilizované napětí kladné a záporné polarity 12 S a stabilizované střídavé napětí o frekvenci 75 kHz, odstraněno ze sekundárního vinutí transformátoru T3) . Zvlnění napětí na výstupu napájecího zdroje nepřesahuje 0,6 V.

Při nastavování napájecího zdroje je k němu přiváděno síťové napětí přes oddělovací transformátor nebo ferorezonanční stabilizátor s výstupem izolovaným od sítě. Veškeré přepájení ve zdroji lze provést pouze při úplném odpojení zařízení od sítě.

Při nastavování zařízení se doporučuje zapnout žárovku 60 W 220 V v sérii s koncovým stupněm Tato žárovka ochrání výstupní tranzistory v případě chyb instalace. Optočlen U1 musí mít izolační průrazné napětí minimálně 400 V. Provoz zařízení bez zátěže není povolen.

Síťový spínaný zdroj

Síťový spínaný zdroj (obr. 3) je určen pro telefonní přístroje s automatickou identifikací volajícího nebo pro jiná zařízení o příkonu 3. 5W, napájená napětím 5. 24V.

Napájecí zdroj je chráněn proti zkratu na výstupu. Nestabilita výstupního napětí nepřesahuje 5 % při změně napájecího napětí ze 150 na 240 V a zatěžovacím proudu v rozmezí 20. 100 % jmenovité hodnoty.

Řízený pulzní generátor poskytuje signál o frekvenci 3. 25 kHz na bázi tranzistoru VT30.

Tlumivky L1, L2 a L3 jsou navinuty na magnetických jádrech typu K10x6x3 z lisované permalloy MP140. Vinutí induktoru L1, L2 obsahuje 20 závitů 0,35 mm PETV drátu a každé je umístěno na vlastní polovině prstence s mezerou mezi vinutími minimálně 1 mm.

Tlumivka L3 je navinuta 0,63 mm PETV drátem na otočení v jedné vrstvě podél vnitřního obvodu kroužku. Transformátor T1 je vyroben na magnetickém jádru B22 z feritu M2000NM1.

Rýže. 3. Schéma síťového spínaného zdroje.

Jeho vinutí jsou navinuta na skládacím rámečku, který se otáčí PETV drátem a napuštěný lepidlem. První vinutí I je navinuto v několika vrstvách, obsahujících 260 závitů drátu 0,12 mm. Stejným drátem se navine stínící vinutí s jednou svorkou (na obr. 3 znázorněno tečkovanou čarou), poté se nanese lepidlo BF-2 a obalí se jednou vrstvou Lakot-kani.

Vinutí III je navinuto drátem 0,56 mm. Pro výstupní napětí 5V obsahuje 13 závitů. Vinutí II se navíjí jako poslední. Obsahuje 22 závitů drátu 0,15. 0,18 mm. Mezi misky je vytvořena nemagnetická mezera.

Vysokonapěťový zdroj konstantního napětí

Pro vytvoření vysokého napětí (30. 35 kV při zatěžovacím proudu do 1 mA) pro napájení elektroefluviálního lustru (lustr A.L. Chiževského) je navržen stejnosměrný napájecí zdroj založený na specializovaném mikroobvodu typu K1182GGZ.

Zdroj se skládá z usměrňovače síťového napětí na diodovém můstku VD1, filtračního kondenzátoru C1 a vysokonapěťového polomůstkového oscilátoru na čipu DA1 typu K1182GGZ. Čip DA1 spolu s transformátorem T1 převádí přímé usměrněné síťové napětí na vysokofrekvenční (30. 50 kHz) pulzní napětí.

Usměrněné síťové napětí je přivedeno do mikroobvodu DA1 a spouštěcí obvod R2, C2 spustí samooscilátor mikroobvodu. Řetězce R3, SZ a R4, C4 nastavují frekvenci generátoru. Rezistory R3 a R4 stabilizují dobu trvání půlcyklů generovaných impulsů. Výstupní napětí je zvýšeno vinutím L4 transformátoru a přivedeno do násobiče napětí pomocí diod VD2 – VD7 a kondenzátorů C7 – C12. Usměrněné napětí je přiváděno do zátěže přes omezovací rezistor R5.

Kondenzátor síťového filtru C1 je určen pro provozní napětí 450 V (K50-29), C2 – libovolného typu pro napětí 30 V. Kondenzátory C5, C6 se volí v rozsahu 0,022. 0,22 μF pro napětí minimálně 250 V (K71-7, K73 -17). Násobičové kondenzátory C7 – C12 typ KVI-3 pro napětí 10 kV. Je možné jej nahradit kondenzátory typů K15-4, K73-4, POV a dalšími s provozním napětím 10 kV nebo vyšším.

Rýže. 4. Schéma zapojení vysokonapěťového stejnosměrného zdroje.

Vysokonapěťové diody VD2 – VD7 typ KTs106G (KTs105D). Omezovací rezistor R5 typ KEV-1. Lze jej nahradit třemi odpory typu MLT-2 po 10 MOhm.

Jako transformátor se používá televizní linkový transformátor, například TVS-110LA. Vysokonapěťové vinutí se ponechá, zbytek se odstraní a na jejich místo se umístí vinutí nová. Každé vinutí L1, L3 obsahuje 7 závitů 0,2 mm PEL drátu a vinutí L2 obsahuje 90 závitů stejného drátu.

Do „záporného“ vodiče, který je připojen k lustru, se doporučuje zařadit řetězec odporů R5, který omezuje zkratový proud. Tento vodič musí mít vysokonapěťovou izolaci.

Korektor účiníku

Zařízení, nazývané korektor účiníku (obr. 5), je sestaveno na základě specializovaného mikroobvodu TOP202YA3 (Power Integration) a poskytuje účiník minimálně 0,95 při zatěžovacím výkonu 65 W. Korektor přibližuje tvar proudu spotřebovaného zátěží sinusovému tvaru.

Rýže. 5. Obvod korektoru účiníku založený na mikroobvodu TOP202YA3.

Maximální vstupní napětí je 265 V. Průměrná frekvence měniče je 100 kHz. Účinnost korektoru je 0,95.

Spínaný zdroj s mikroobvodem

Schéma napájecího zdroje s mikroobvodem od stejné firmy Power Integration je na Obr. 6. Zařízení používá polovodičový omezovač napětí – 1,5KE250A.

Převodník zajišťuje galvanické oddělení výstupního napětí od napětí sítě. S jmenovitými hodnotami a prvky uvedenými ve schématu vám zařízení umožňuje připojit zátěž, která spotřebuje 20 W při napětí 24 V. Účinnost převodníku se blíží 90 %. Frekvence převodu – 100 Hz. Zařízení je chráněno před zkraty v zátěži.

Rýže. 6. Schéma zapojení spínaného zdroje 24V na mikroobvodu od Power Integration.

Výstupní výkon měniče je určen typem použitého mikroobvodu, jehož hlavní charakteristiky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Charakteristika mikroobvodů řady TOP221Y – TOP227Y.

Typ čipu	Рmax, W	Ochranný proud, A	Otevřený odpor tranzistoru, Ohm
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Jednoduchý a vysoce účinný měnič napětí

Na základě jednoho z mikroobvodů TOP200/204/214 od Power Integration, jednoduchý a vysoce účinný měnič napětí (obr. 7) s výstupním výkonem až 100 W.

Rýže. 7. Obvod pulzního Buck-Boost měniče na bázi mikroobvodu TOP200/204/214.

Převodník obsahuje síťový filtr (C1, L1, L2), můstkový usměrňovač (VD1 – VD4), vlastní převodník U1, obvod stabilizace výstupního napětí, usměrňovače a výstupní LC filtr.

Vstupní filtr L1, L2 je navinut ve dvou vodičích na feritovém kroužku M2000 (2×8 závitů). Indukčnost výsledné cívky je 18. 40 mH. Transformátor T1 je vyroben na feritovém jádru se standardním rámem ETD34 od Siemens nebo Matsushita, ačkoli lze použít i jiná importovaná jádra jako EP, EC, EF nebo domácí feritová jádra ve tvaru W M2000.

Vinutí I má 4×90 závitů PEV-2 0,15 mm; II – 3×6 stejného drátu; III – 2×21 závitů PEV-2 0,35 mm. Všechna vinutí jsou navíjena otočením za druhým. Mezi vrstvami musí být zajištěna spolehlivá izolace.

Zdroj: Shustov M.A. Praktický návrh obvodů. Měniče napětí (2002).

Opravy: ve schématu na obrázku 3 pro cívku L2 byl změněn bod označující začátek vinutí.