Zasilacze impulsowe.doc

I Zasilacze impulsowe

Jednym z najistotniejszych zespołów zasilaczy impulsowych są układy przekazywania energii. Układ przekazywania energii składa się z elementów przełączających, które umożliwiają przepływ energii pomiędzy wejściem a wyjściem.

Układy przekazywania energii małej mocy zawierają rezystancyjny lub kondensatorowy obwód ładowania, natomiast układy średniej i dużej mocy mają obwód ładowania indukcyjny lub transformatorowy.    

Układy o wyjściu nieizolowanym od wejścia

Układy przekazywania energii o wyjściu nieizolowanym od wejścia zostały podzielone na trzy grupy: układy obniżające (ang. step-down, bucking), układy podwyższające (ang. step-up, boost) lub zmieniające biegunowość napięcia stałego (polarity-converting).

Układy obniżające napięcie stałe

Układy przekazywania energii o rezystancyjnym obwodzie ładowania

Układ przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem ładowania został przedstawiony na Rysunku 5. Stabilizacja w układach tego typu odbywa się w ten sposób, że kondensator podłączony równolegle do wyjścia, jest ładowany okresowo poprzez rezystor Re. Przy włączonym przełączniku S, ładunek przepływający z kondensatora Co do obciążenia RL (odbiornika) jest dostarczany z wejścia poprzez zewnętrzny rezystor Re, ograniczający prąd. Wartość średnia napięcia wyjściowego jest proporcjonalna do względnej wartości czasu włączania elementu przełączającego, czyli do współczynnika wypełnienia.

Impulsy pojawiające się na wyjściu przełącznika szeregowego są uśredniane przez filtr dolnoprzepustowy składający się z elementów Re i Co. Rezystor Re spełnia dwie funkcje: ogranicza prąd ładowania oraz stanowi cześć składową filtru dolnoprzepustowego typu RC.

Rysunek 5. Podstawowy układ przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem ładowania

W układzie, gdzie czas włączania ton (czas ładowania) elementu przełączającego jest stały (z pominięciem stałych czasowych włączania  ton oraz wyłączania toff), ładunek odprowadzany z kondensatora Co w okresie T jest równy ładunkowi doprowadzonemu do układu w czasie trwania pojedynczego impulsu ładowania:

Przebieg prądu ładowania wyraża się zaś zależnością:

gdzie tc=ReCo jest stałą czasu obwodu ładowania.

Po podstawieniu wartości ii(t) do pierwszej zależności i po przeprowadzeniu całkowania uzyskuje się wartość średnią prądu:

Powyższy wzór to podstawowa zależność układu przekazywania energii ( przetwornicy DC-DC).

Układ przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem ładowania jest zastępowany przez układy z indukcyjnym obwodem ładowania, ze względu na duże straty na rezystancji  i bardzo duży kondensator gromadzący.

Układy przekazywania energii z indukcyjnym obwodem ładowania

Na Rysunku 6 przedstawiono układ przekazywania energii z indukcyjnym obwodem ładowania. W układzie tym tranzystor pracuje jako przełącznik. Kondensator C, podłączony równolegle do wyjścia, jest ładowany okresowo poprzez dławik L ograniczający prąd. W czasie włączenia tranzystora, dławik ogranicza prąd do wartości odpowiedniej dla zabezpieczenia tranzystora. Gdy tranzystor przewodzi pojemność C ładuje się poprzez dławik, w którym gromadzi się energia magnetyczna. W czasie włączenia ton przyrost prądu w dławiku:

gdzie L jest indukcyjnością dławika, a g - współczynnikiem wypełnienia.

Rysunek 6. Układ przekazywania energii z indukcyjnym obwodem ładowania.

Gdy tranzystor zostanie zatkany, zmienia się biegunowość napięcia na dławiku, a zgromadzona w nim energia jest doprowadzona do obciążenia, poprzez diodę usprawniającą D. W czasie wyłączenia toff prąd w dławiku maleje w sposób następujący:

Równowaga zachodzi wówczas, gdy przyrost i spadek prądu dławika w trakcie czasu włączania i wyłączania są sobie równe czyli:

Stąd:

Jak widać, napięcie wyjściowe może być stabilizowane przez zmianę współczynnika wypełnienia. Ponieważ współczynnik wypełnienia g < 1, więc napięcie wyjściowe jest zawsze niższe od napięcia wejściowego.

Dla wyjścia indukcyjność L tworzy razem z kondensatorem C filtr dolnoprzepustowy czyli układ całkujący. Jednocześnie dławik jest elementem ograniczającym prąd. Dzięki zastosowaniu dławika jest możliwe zarówno gromadzenie, jak i odzysk energii. Gdy tylko tranzystor zostanie zatkany, zaczyna przewodzić dioda D przekazując energię zgromadzoną w dławiku L do kondensatora i obciążenia. Jest to czynnik poprawiający sprawność układu.

              Dioda usprawniająca (ang. flyback diode) przewodzi tylko prąd przy zatkanym tranzystorze. Dzięki temu energia zgromadzona w dławiku w czasie włączania może powrócić do wyjścia. W układzie bez diody, napięcie pojawiające się na indukcyjności podczas zatkania tranzystora uszkodziłoby go.

Minimalna wartość indukcyjności dławika przy której prąd dławika maleje do zera jest równa indukcyjności ograniczającej amplitudę wahań prądu do podwójnej wartości średniej minimalnego prądu obciążenia.

Jeśli w miejsce γ podstawimy wyrażenie Uo/Ui, a w miejsce Io AV wyrażenie Po/Uo, to:

gdzie Po_min jest minimalną mocą wyjściową.

Przy zadanej indukcyjności można obliczyć wartość graniczną prądu obciążenia przy której chwilowa wartość prądu dławika osiąga dokładnie wartość równą zeru:

Przy prądzie obciążenia wyższym od tej wartości, prąd dławika nie spada do zera.

Przy braku strat do określenia parametrów układu ważne są następujące zależności:

Jeśli uwzględnimy straty (Rysunek 7) to przy prądzie obciążenia przekraczającym prąd graniczny Ilim ( przy czym Ilim jest prądem obciążenia, przy którym chwilowy prąd dławika maleje dokładnie do zera)

Uo=gUi – Io [gRsat + (1- g)RD + RLS]

Prąd graniczny:

Minimalna wartość indukcyjności niezbędna do podtrzymania ciągłości prądu dławika:

Rysunek 7. Układ stabilizatora obniżającego napięcie o indukcyjnym obwodzie ładowania, uzupełniony o szeregowe rezystory strat

Amplituda prądu kolektora tranzystora:

Maksymalne napięcie na tranzystorze:                           

UCE max= Ui max

Maksymalne napięcie na diodzie:                           

UD=Ui max

Sprawność układu: 

Pojemnościowy układ przekazywania energii

              Na Rysunku 8 przedstawiono układ przekazywania energii małej mocy z pojemnością. Układ zawiera dwa elementy przełączające pracujące na przemian.

Rysunek 8. Kondensatorowy układ przekazywania energii, małej mocy obniżający napięcie

Po włączeniu przełącznika SA, ładują się kondensatory C, i C2 poprzez diody Z), i D3. Kondensatory C, i C2 tworzą właściwie dzielnik napięcia. Po wyłą­czeniu przełącznika SA włącza się przełącznik SB, a kondensator C, rozładowuje się poprzez elementy S„ i D2. Następnie cały proces rozpoczyna się od nowa. Ponie­waż napięcie wejściowe dzieli się między kondensatorami C1 i C2, więc napięcie wyjściowe jest niższe od napięcia wejściowego. Układ ma małą sprawność, gdyż energia zgromadzona w kondensatorze C,, jest tracona w jednym cyklu pracy, w elementach SB i D2.

Układy podwyższające napięcie stałe

W przypadku, gdy wymagane jest napięcie stabilizowane o wartości wyższej od napięcia wejściowego, to w stabilizatorze impulsowym stosuje się układ przekazywania energii podwyższający napięcie stałe (Rysunek 9).

Rysunek 9. Podstawowy układ dławikowy przekazywania energii, podwyższający napięcie

W tym układzie, energia jest doprowadzona do wyjścia przy wyłączonym (zatkanym) tranzystorze. Dlatego, układ ten zwany jest też przetwornicą zaporową.

...