Co je to spínaný zdroj?

Spínaný zdroj slouží k převodu vstupního napětí na hodnotu požadovanou vnitřními prvky zařízení. Dalším názvem pro pulzní zdroje, který se rozšířil, jsou invertory.

Co je to?

Invertor je sekundární zdroj energie, který využívá dvojitou konverzi vstupního střídavého napětí. Velikost výstupních parametrů se upravuje změnou doby trvání (šířky) impulsů a v některých případech i jejich opakovací frekvence. Tento typ modulace se nazývá pulzně šířková modulace.

Princip činnosti spínaného zdroje

Provoz střídače je založen na usměrnění primárního napětí a jeho další přeměně na sekvenci vysokofrekvenčních impulsů. Tím se liší od konvenčního transformátoru. Výstupní napětí bloku slouží ke generování negativního zpětnovazebního signálu, který umožňuje upravit parametry pulzu. Řízením šířky pulzu lze snadno organizovat stabilizaci a úpravu výstupních parametrů, napětí nebo proudu. To znamená, že to může být buď stabilizátor napětí, nebo stabilizátor proudu.

Počet a polarita výstupních hodnot se může velmi lišit v závislosti na tom, jak spínaný zdroj funguje.

Typy napájecích zdrojů

Uplatnění našlo několik typů měničů, které se liší konstrukčním schématem:

• bez transformátoru;
• transformátor.

První z nich se liší tím, že sekvence impulsů jde přímo do výstupního usměrňovače a vyhlazovacího filtru zařízení. Toto schéma má minimum komponent. Jednoduchý invertor obsahuje specializovaný integrovaný obvod – generátor šířky impulsů.

Hlavní nevýhodou beztransformátorových zařízení je, že nemají galvanické oddělení od napájecí sítě a mohou představovat riziko úrazu elektrickým proudem. Obvykle mají také nízký výkon a produkují pouze 1 výstupní napětí.

Běžnější jsou transformátorová zařízení, ve kterých je do primárního vinutí transformátoru přiváděna vysokofrekvenční sekvence impulzů. Sekundárních vinutí může být libovolný počet, což umožňuje generovat několik výstupních napětí. Každé sekundární vinutí je zatíženo vlastním usměrňovačem a vyhlazovacím filtrem.

Výkonný spínaný zdroj pro jakýkoli počítač je sestaven podle obvodu, který má vysokou spolehlivost a bezpečnost. Pro zpětnovazební signál se zde používá napětí 5 nebo 12 voltů, protože tyto hodnoty vyžadují nejpřesnější stabilizaci.

Použití transformátorů pro převod vysokofrekvenčního napětí (desítky kilohertzů místo 50 Hz) umožnilo výrazně snížit jejich rozměry a hmotnost a jako materiál jádra (magnetické jádro) použít spíše feromagnetické materiály s vysokou koercitivní silou (magnetické jádro) než elektrické železo.

DC-DC měniče jsou také postaveny na základě pulzně šířkové modulace. Bez použití invertorových obvodů byla konverze velmi obtížná.

Napájecí obvod

Obvod nejběžnější konfigurace pulzního měniče zahrnuje:

• síťový filtr pro potlačení šumu;
• usměrňovač;
• vyhlazovací filtr;
• měnič šířky impulsu;
• klíčové tranzistory;
• vysokofrekvenční výstupní transformátor;
• výstupní usměrňovače;
• výstupní individuální a skupinové filtry.

Účelem odrušovacího filtru je oddálit rušení z provozu zařízení do napájecí sítě. Spínání výkonných polovodičových prvků může být doprovázeno vytvářením krátkodobých impulsů v širokém rozsahu frekvencí. Proto je zde nutné použít prvky určené přímo pro tento účel jako průchozí kondenzátory filtračních jednotek.

Usměrňovač slouží k přeměně vstupního střídavého napětí na stejnosměrné napětí a následně instalovaný vyhlazovací filtr eliminuje zvlnění usměrněného napětí.

V případě použití DC-DC měniče odpadá usměrňovač a filtr a vstupní signál je po průchodu obvody odrušovacího filtru přiveden přímo do pulsně šířkového měniče (modulátoru), zkráceně PWM.

PWM je nejsložitější částí obvodu spínaného zdroje. Mezi jeho úkoly patří:

• generování vysokofrekvenčních impulsů;
• řízení výstupních parametrů bloku a korekce sekvence impulsů v souladu se zpětnovazebním signálem;
• kontrola a ochrana proti přetížení.

Signál PWM je přiváděn na řídicí svorky výkonných klíčových tranzistorů zapojených v můstkovém nebo polomůstkovém obvodu. Výkonové svorky tranzistorů jsou naloženy na primární vinutí vysokofrekvenčního výstupního transformátoru. Místo tradičních bipolárních tranzistorů se používají tranzistory IGBT nebo MOSFET, které se vyznačují nízkým úbytkem napětí na přechodech a vysokou rychlostí. Vylepšené parametry tranzistorů pomáhají snížit ztrátový výkon při stejných rozměrech a technických konstrukčních parametrech.

Výstupní pulzní transformátor využívá stejný princip převodu jako klasický. Výjimkou je provoz na vyšších frekvencích. Díky tomu mají vysokofrekvenční transformátory se stejnými přenášenými výkony menší rozměry.

Napětí ze sekundárního vinutí výkonového transformátoru (může jich být více) je přiváděno do výstupních usměrňovačů. Na rozdíl od vstupního usměrňovače musí mít diody usměrňovače sekundárního obvodu zvýšenou pracovní frekvenci. V této části obvodu nejlépe fungují Schottkyho diody. Jejich výhody oproti konvenčním:

• vysoká pracovní frekvence;
• snížená kapacita přechodu pn;
• nízký pokles napětí.

Účelem výstupního filtru spínaného zdroje je snížit zvlnění usměrněného výstupního napětí na požadované minimum. Vzhledem k tomu, že frekvence zvlnění je mnohem vyšší než u síťového napětí, není potřeba velkých hodnot kapacity a indukčnosti kondenzátoru v cívkách.

Rozsah použití spínaného zdroje

Pulzní měniče napětí se ve většině případů používají místo tradičních transformátorů s polovodičovými stabilizátory. Při stejném výkonu se měniče vyznačují menšími celkovými rozměry a hmotností, vysokou spolehlivostí a hlavně vyšší účinností a schopností pracovat v širokém rozsahu vstupního napětí. A při srovnatelných rozměrech je maximální výkon střídače několikanásobně vyšší.

V takové oblasti, jako je konverze stejnosměrného napětí, nemají pulzní zdroje prakticky žádnou alternativní náhradu a jsou schopny pracovat nejen na snížení napětí, ale také na generování zvýšeného napětí a organizování změny polarity. Vysoká konverzní frekvence značně usnadňuje filtrování a stabilizaci výstupních parametrů.

Malé měniče na specializovaných integrovaných obvodech se používají jako nabíječky pro různé gadgety a jejich spolehlivost je taková, že životnost nabíjecí jednotky může několikanásobně přesáhnout provozní dobu mobilního zařízení.

12V napájecí budiče pro zapínání LED světelných zdrojů jsou také postaveny pomocí pulzního obvodu.

Jak vyrobit spínací zdroj vlastníma rukama

Střídače, zvláště ty výkonné, mají složité obvody a mohou je replikovat pouze zkušení radioamatéři. Pro vlastní montáž síťových zdrojů můžeme doporučit jednoduché nízkopříkonové obvody pomocí specializovaných čipů PWM regulátoru. Takové integrované obvody mají malý počet elektroinstalačních prvků a mají osvědčené standardní spínací obvody, které prakticky nevyžadují seřizování a konfiguraci.

Při práci s domácími konstrukcemi nebo opravách průmyslových zařízení si musíte pamatovat, že část obvodu bude vždy na potenciálu sítě, takže je třeba dodržovat bezpečnostní opatření.

Měniče napětí od 12 do 220 voltů

Co je usměrňovač napětí a proč je potřeba: typické obvody usměrňovače

Co je to diodový můstek, princip jeho činnosti a schéma zapojení

Co je PWM – pulzně šířková modulace

Tranzistor – zařízení, typy, použití

Jak vybrat napájecí zdroj pro LED pásek podle technických charakteristik, výpočet výkonu