Impulzní zdroje a měni?e II. - P?ehled topologií impulzních měni?? (bez galvanického oddělení)

    Neoddělující měni?e se pou?ívají v?ude tam, kde není po?adavek na galvanické oddělení vstupního napětí od vystupního. To umo?ňuje obvod zna?ně zjednodu?it. Místo pulzního transformátoru se vět?inou pou?ívá pouze tlumivka (feritová/?elezoprachová). Není ?asto pot?eba ani oddělovat sníma? vystupního napětí. Vyhodou měni?? A,B,C,G,H,J,K,L je také fakt, ?e měni? nemění cely p?ená?eny vykon, ale pouze rozdíl vstupního a vystupního napětí (měněny vykon P = (U1-U2).I). V?echny typy popsanych měni?? v?ak ztrácejí svoje vyhody (hlavně ú?innost) p?i velkych měnících poměrech (více ne? 5:1 a? 10:1, pop?ípadě méně ne? 1:5 a? 1:10). Pro velké měnící poměry je vhodněj?í pou?ít měni? s transformátorem. Těm se věnuji v ?lánku o impulzních zdrojích s oddělením. Měni?e mohou pracovat 1) s nestabilizovanym vstupním a s pevnym (stabilizovanym) vystupním napětím, 2) s pevnym vstupním napětím a nastavitelnym vystupním napětím a 3) s nestabilizovanym vstupním a nastavitelnym vystupním napětím. Podle po?adavk? na U1 a U2 se volí typ měni?e (zvy?ova? pro vět?í U2 ne? U1, sni?ova? pro men?í U2 ne? U1, měni?e D,E,F,I pro provoz, kde mohou nastat obě varianty). V?echny měni?e samoz?ejmě pot?ebují vhodny ?ídící obvod (budící gejty), ktery na gejt p?ivádí vhodny obdélníkovy signál s ?ízenou st?ídou (PWM) a zpětnou vazbou (snímá se vystupní napětí, někdy i vstupní napětí a vystupní proud ?i proud tranzistorem). Dnes se vět?inou jedná o integrované obvody s minimem okolních sou?ástek, informace a zapojení najdete v jejich datasheetech. Sníma?e proudu (bo?níky) nejsou pro zjednodu?ení znázorněny. Napě?ové ?pi?ky si ní?e uvedené obvody omezují samy. P?i pou?ití pro velká napětí a/nebo velké vykony je v?ak pot?eba omezovat i dU/dt (pomocí ?lánk? RC nebo RDC).

Podrobněj?í informace o buzení gejt? a omezování dU/dt najdete v tomto ?lánku .

Poznámka: Ve schématech jsou znázorněny MOSFETy, ale návrhy lze aplikovat i na IGBT a bipolární tranzistory. Ultrarychlé diody mohou byt v nízkonapě?ovych aplikacích nahrazeny schottkyho diodami.

P?ehled topologií impulzních (spínanych) měni?? (zvy?ující, sni?ující, invertor, aktivní PFC)
P?ehled topologií impulzních měni??


    A) zvy?ova?
Zvy?ující měni? (zvy?ova?), jak název napovídá, zvy?uje vstupní napětí (U2 = 1× a? n× U1). Po sepnutí tranzistoru se p?ipojí napětí U1 na cívku L, p?sobením napětí roste lineárně proud (v cívce se shroma??uje energie) a? do okam?iku rozpojení tranzistoru. Poté se polarita napětí na cívce obrátí, napětí cívky se p?i?ítá k napětí U1, proud te?e z cívky p?es D (rychlou diodu) do kondenzátoru C2. Energie z cívky se p?ená?í do C2, tím proud postupně klesá a? do chvíle, kdy se tranzistor opět sepne.

Vyhodou zvy?ujícího měni?e je, ?e tranzistor pracuje s uzemněnym surcem (emitorem) a díky tomu není pot?eba plovoucí buzení (ani proudové trafo). Nevyhodou je, ?e ho nelze nijak vypnout a nem??e byt odolny proti zkratu a p?etí?ení. I kdy? se tranzistor zav?e, vstupní napětí stále prochází p?es L a D na vystup. Funkci ?ídícího obvodu zvy?ova?e m??e plnit nap?. známá ?ada obvod? UC3842, UC3843, UC3844 a UC3845 (snímání proudu p?ímo v surcu / emitoru). Prakticky p?íklad tohoto měni?e.

    B) sni?ova?
Sni?ující měni? (sni?ova?) slou?í k nízkoztrátovému sni?ování napětí (U2 = 0 a? 1× U1). Je to efektivněj?í alternativa ke spojitym stabilizátor?m, které musejí cely rozdíl (P=(U1-U2).I) p?eměnit na teplo. Po sepnutí tranzistoru se na cívce objeví rozdíl U1-U2. Proud cívkou lineárně roste, dioda je zav?ená. Rozdílová energie (E=t.I.(U1-U2)) se shroma??uje v cívce. Po rozepnutí tranzistoru se polarita napětí na cívce obrátí, otev?e se dioda, proud te?e z cívky p?es diodu do kondenzátoru, proud lineárně klesá. Energie nashromá?děná v cívce se tedy p?ená?í do C2 a na vystup.

Nevyhodou sni?ova?e oproti zvy?ova?i je nutnost pou?ít plovoucí buzení (surc/emitor není uzemněn). To lze sice obejít pou?itím mosfetu typu P, ale je to mo?né jen u obvod? s malym vstupním napětím (U1 men?í ne? max. U G-S mosfetu P). Pro vět?í napětí a/nebo vět?í vykony se pou?ívají vyhradně mosfety typu N (nebo tranzistory NPN, IGBT NPN) a specializované budící obvody umo?ňující plovoucí buzení ?i budící transformátorek.

    C) sni?ova? v záporné větvi
Tento typ sni?ova?e je velice podobny p?edchozímu sni?ova?i B). Li?í se jen v tom, ?e pracuje v záporné větvi, U1 a U2 mají tedy spole?ny kladny pól. Vyhodou je, ?e surc je uzemněn a není nutné plovoucí buzení. Nevyhodou je, ?e vystupní napětí nemá spole?ny kladny pól se vstupním napětím a proto je nutné zapojovat zpětnou vazbu pomocí optronu nebo rozdílového zesilova?e.

    D) invertor
Invertor v pravém slova smyslu slou?í k invertování vstupního napětí. Velikost vystupního napětí m??e byt vět?í i men?í ne? velikost vstupního napětí. Kladny pól vystupu je spojen se zápornym pólem vstupu. Vzniká tedy záporné napětí v??i zemi. Invertor se nej?astěji pou?ívá k vytvo?ení symetrického napětí z nesymetrického nebo k získání záporného napětí tam, kde jeho zdroj chybí. Po sepnutí tranzistoru se p?ipojí kladné napětí k cívce, proud cívkou lineárně roste, v cívce se shroma??uje energie. Po uzav?ení tranzistoru se napětí na cívce obrátí, otev?e se dioda, proud te?e diodou z C2 do L. Energie z L se p?ená?í do C2, vzniká záporné napětí, proud cívkou lineárně klesá a? do chvíle opětovného otev?ení T. Nevyhoda invertoru je stejná jako u sni?ova?e B), tedy nutnost plovoucího buzení. O pou?ití mosfetu P také viz B).

    E) měni? bez spole?né země
Měni? bez spole?né země je vlastně jen obrácenou verzí invertoru D). Vystupní napětí m??e byt vy??í i ni??í ne? vstupní. Kladny pól vstupu je spojen se zápornym pólem vystupu. Není pot?eba plovoucí buzení, ale zpětná vazba musí byt provedena pomocí optronu nebo rozdílového zesilova?e. Lze ho vyu?ít mimo jiné k napájení spot?ebi??, které nemusejí mít spole?nou zem se vstupním napětím a je pot?eba regulace napětí v rozmezí vy??ím i ni??ím ne? vstupní napětí nebo kde nevyhovuje sni?ova? z d?vodu plovoucího buzení.

    F) bezrozptylovy měni?
Tento netypicky měni? se pou?ívá v p?ípadech, kde se pracuje se spole?nym zápornym pólem, vystupní napětí m??e byt vy??í i ni??í ne? vstupní napětí a pracuje bez plovoucího buzení. Tyto po?adavky nesplňuje ?ádny měni? s jednoduchou cívkou. Pou?ívá se proto transformátor se vzduchovou mezerou (v podstatě tlumivka se dvěma vinutími). Vyhodou je také to, ?e ho lze vypnout a doplnit o ochranu proti p?etí?ení a zkratu, co? u A) nelze.

Zapojení bezrozptylového měni?e vychází ze zapojení jedno?inného blokujícího měni?e (viz ?lánek o impulzních zdrojích s oddělením, typ I.). Záporné póly jsou spojeny. P?edpokládáme, ?e měnící poměr není extrémně velky (U2 = 0,2×...5× U1). Díky tomu je mo?né pou?ít poměr závit? 1:1. Potom je st?ídavá slo?ka na ?ivych koncích obou vinutí (ozna?eny te?kami) stejná. To umo?ní tyto konce spojit kondenzátorem C3 s velkou kapacitou. Pou?ití kondenzátoru C3 má hned několik vyhod. Odstraní se rozptyl trafa (není pot?eba chránit tranzistor p?ed ?pi?kami, energie ?pi?ek se p?enese na vystup), Vyrazně se také omezí povrchovy jev (skinefekt) - sní?í se nároky na konstrukci vinutí (odpadne nutnost pou?ití vf lanka, proto?e proud se mění pilovitě, nejsou zde ?ádné ostré hrany) a proud se rozdělí mezi vinutí, co? vede k jejich efektivněj?ímu vyu?ití. P?ipomínám, ?e poměr závit? musí byt p?esně 1:1. Pozn.: Existuje také druhá varianta, kde je transformátor nahrazen dvěma samostatnymi tlumivkami. Vazba je pak zaji?těna pouze kondenzátorem C3. Prakticky p?íklad tohoto měni?e.

    G) obousměrny / synchronní měni?
Obousměrny měni? se pou?ívá v aplikacích, kde je pot?eba p?ená?et vykon oběma směry. Napětí U1 je v?dy vět?í ne? U2. Obousměrny měni? je mo?né si p?edstavit jako měni?e A) a B) polo?ené na sebe (provozu se ú?astní antiparalelní diody). Pokud se vykon p?ená?í ve směru U1 - U2, napětí se sni?uje, pokud ve směru U2 - U1, zvy?uje se. Tento měni? si lze p?edstavit jako jakysi obousměrny napě?ovy "schod". Tranzistory jsou otvírány st?ídavě. Obousměrny měni? se pou?ívá nap?íklad k plynulé pulzní regulaci motor? s mo?ností br?dění rekuperací (motor je na straně U2). Dal?í vyu?ití je nap?. v zálo?ních zdrojích, kde je pot?eba pulzně regulovat nabíjecí proud baterie v bě?ném provozu i stabilizovat vystupní napětí v nouzovém provozu. T1 vy?aduje plovoucí buzení. Kdy? se zvy?uje st?ída T2 a sni?uje st?ída T1, měnící poměr se zvy?uje, v opa?ném p?ípadě se sni?uje. V krajním p?ípadě je trvale otev?en T1 a napětí jsou témě? stejná. Pokud se vykon p?ená?í ve směru U2 - U1, tranzistor T2 nesmí byt nikdy trvale otev?en. Pokud budou v tomto typu měni?e pou?ity bipolární tranzistory nebo IGBT bez zabudovanych diod, musí se pou?ít vněj?í antiparalelní diody (rychlé nebo schottky v závislosti na velikosti napětí). K ovládání mosfet? nebo IGBT v tomto měni?i se hodí obvody IR2101, IR2102, IR2103 a IR2104. Tyto obvody v?ak nezaji??ují ?ídící funkci, ale jen buzení mosfet? (T1 plovoucí).

Tento typ měni?e má je?tě jedno zvlá?tní vyu?ití, a to i v p?ípadě, ?e se vykon p?ená?í jen jedním směrem. P?i provozu s malymi napětími a velkymi proudy m??e byt u?ite?né synchronní usměrňování - tedy provoz, p?i kterém se mosfet spíná ve směru S-D, aby sní?il úbytek antiparalelní diody (podobně jako bě?ny synchronní usměrňova?). Synchronní měni? m??e pracovat v jednosměrném re?imu (nahrazovat měni? typu A) nebo B)) i v obousměrném re?imu. V p?ípadě jednosměrného re?imu je jeden z mosfet vyu?it pouze jako synchronní dioda a nikdy nevede v proud ve směru D-S. Synchronní měni? se pou?ívá jen ve spojení s mosfety.

    H) aktivní PFC (aktivní korekce ú?iníku)
Aktivní PFC (z angl. active power factor correction) sice nepat?í mezi DC/DC měni?e, ale p?esto ho zde uvedu. Jedná se o obvod, ktery zvy?uje ú?iník sí?ovych usměrňova?? pracujících do filtra?ní kapacity. (ú?iník nikoliv ve vyznamu fázového posunu cos fí, ale ve vyznamu ?initele plnění.)

Nevyhoda sí?ovych spot?ebi??, které mají na vstupu usměrňova? a za ním velkou filtra?ní kapacitu, je v tom, ?e usměrňova? (diodovy m?stek) spíná jen p?i napětí blízkém maximu. Proud tedy te?e jen v krátkych pulzech. Dochází ke zbyte?ně vy??ímu zatí?ení vedení a rozvodnych transformátor?, nutnosti pou?ít vy??í ji?tění (pojistky, jisti?e) a deformaci tvaru sinusovky sí?ového napětí. Efektivní hodnota proudu je zde mnohem vy??í, ne? u odpovídající odporové zátě?e. Obecně platí, ?e ?ím kvalitněj?í je filtrace (tedy ?ím men?í je zvlnění filtrovaného napětí), tím hor?í je ú?iník.

Z vy?e popsanych d?vod? se vykonněj?í usměrňova?e doplnují o PFC. Existují 2 typy PFC: pasivní a aktivní. Pasivní PFC je vět?inou tvo?ena jen tlumivkou na jád?e ze ?eleznych plech? zapojenou do série s usměrňova?em. Je to "jednoduché ?pinavé" ?e?ení, proto?e ú?iník zlep?uje jen ?áste?ně, změk?uje filtrované napětí a zvy?uje vyrazně hmotnost za?ízení. Zde se budu zabyvat jen aktivní PFC, která umo?ňuje zvy?it ú?iník a? na hodnoty blízké 1, zaji??uje nezávislost vystupního napětí na vstupním (ale pozor, nejedná se o úplnou stabilizaci, z?stává zde mírné zvlnění) a umo?ňuje také univerzální provoz 100-240V~.

Aktivní PFC je vlastně zvy?ova? napětí, ktery je napájen napětím s témě? 100% zvlněním. Zapojuje se mezi m?stek a filtra?ní kapacitu. Usměrňova? pracuje do kondenzátoru s velmi malou kapacitou, ktery slou?í pouze jako blokace vf proudu, nikoliv jako filtrace sdru?nych frekvencí 100/120Hz. Vystupní napětí musí byt vět?í, ne? amplituda vstupního napětí. V p?ípadě vstupního st?ídavého napětí 220-240V~ (amplituda 310-340V) nebo univerzálního napájení 100-240V~ se volí vystupní napětí 390-400V. V p?ípadě vstupního napětí 100-127V~ (amplituda 140-180V) se volí vystupní napětí 200-250V. Buzení tranzistoru je ?ízeno tak, aby vstupní proud odpovídal p?ibli?ně sinusovce a vystupní napětí se pohybovalo v po?adovanych mezích (nep?ekra?ovalo maximum). Jak ji? bylo zmíněno, aktivní PFC má kromě zvy?ení ú?iníku je?tě jednu velkou vyhodu: umo?ňuje univerzální provoz s napětím 100-240V~ 50-60Hz bez p?epínání. Vystupní napětí PFC konstruované pro univerzální provoz je toti? jen nepatrně závislé na velikosti vstupního st?ídavého napětí. Umo?ňuje tím univerzální provoz i propustnym typ?m zdroj?, které samy o sobě nemají pro univerzální provoz dostate?ny rozsah regulace. Dioda D2 nemá na ustáleny provoz obvodu ?ádny vliv, uplatňuje se jen v okam?iku zapnutí, kdy je C2 s velkou kapacitou vybity. Díky této diodě nete?e velky po?áte?ní proud p?es tlumivku a nedojde tedy k jejímu p?esycení (co? by mohlo zp?sobit zni?ení tranzistoru). Nej?astěj?ími obvody pro ?ízení aktivní PFC jsou L6560, L6561. Tyto obvody jsou napájeny z pomocného vinutí na tlumivce PFC (není ve schématu). U velmi vykonnych spot?ebi?? je PFC témě? nutností, u malych spot?ebi?? nemá smysl. PFC je v?ak ?asto vynechávána z d?vodu sni?nování vyrobních náklad?.

    I) Bezrozptylovy invertor (?uk)
Bezrozptylovy invertor (nazyvany také ?uk, podle svého autora Slobodana ?uka) pracuje obdobně jako bezrozptylovy měni? F). Pou?ívá se v p?ípadě, ?e je pot?eba vytvo?it invertované (záporné) napětí a chceme se vyhnout plovoucímu buzení, které se pou?ívá v bě?ném invertoru D). Záporné napětí m??e byt vy??í i ni??í, ne? vstupní kladné napětí. Obvod se chová podobně jako blokující měni?, kde záporny pól vstupu je spojen s kladnym pólem vystupu a ?ivé konce trafa jsou propojeny kondenzátorem C3 pro sní?ení rozptylu a lep?í rozdělení proudu mezi vinutími. Poměr vinutí musí byt v?dy 1:1. C3 musí byt dimenzován na sou?et absolutních hodnot vst. a vyst. napětí. Pozn.: Podobně jako v p?ípadě měni?e F) existuje také druhá varianta, kde je transformátor nahrazen dvěma samostatnymi tlumivkami.

    J) Vícefázovy zvy?ova?
Vícefázovy zvy?ova? funguje podobně, jako oby?ejny zvy?ova? A), ale vykon je rozdělen do několika men?ích měni??. Těch m??e byt 2 a? n. Na obrázku je p?íklad s dvěma fázemi. Jednotlivé fáze pracují s fázovym posuvem 360° / po?et fází. Nap?. pro 2 fáze to tedy je 180° a pro 3 fáze 120°. Vyhodou fázového posuvu je sní?ení zvlnění. Sní?í se tím nároky na filtraci. Frekvence zvlnění se zvy?í po?tem fází, tak?e sta?í men?í filtra?ní kapacita a p?ípadně i induk?nost tlumivek dal?ích LC filtr? (nejsou ve schématu).

    K) Vícefázovy sni?ova?
Podobně jako vícefázovy zvy?ova? J) funguje i vícefázovy sni?ova?. Opět se jedná o 2 a? několik sni?ova?? pracujících s fázovym posuvem. V?echny tranzistory vy?adují plovoucí buzení. Pou?ívá se nap?. v základních deskách PC.

    L) Synchronní vícefázovy sni?ova?
Kombinuje vyhody vícefázového sni?ova?e K) a synchronního měni?e G). Pracuje jako 2 a? několik synchronních sni?ova?? s fázovym posuvem. Sní?í se nároky na filtraci a zvlnění a také se eliminují velké ztráty na diodách klasického sni?ova?e. Horní tranzistory vy?adují plovoucí buzení. S tímto krkolomnym sni?ova?em se setkáte na vět?ině základních desek PC, kde vytvá?í nízké napětí pro procesor (méně ne? 2V) z vy??ího napětí zdroje (vět?inou 12V). Prakticky p?íklad tohoto měni?e.




zpět na úvodní stránku
手机捕鱼游戏