Jak funguje spínaný zdroj?

Spínaný zdroj (UPS) je navržen tak, aby převáděl vstupní napětí na jiné, které má jednu nebo více hodnot. Důležité komponenty včetně výkonových prvků fungují v režimu klíče. Invertor je zdroj energie, který využívá metodu dvojité konverze střídavého napětí. Výstupní parametry UPS jsou dimenzovány změnou doby trvání pulzu a v některých případech i jejich frekvence. Tento proces se nazývá pulzně šířková modulace.

Pokud je vstupní napětí střídavé např. z elektrické sítě, musí být nejprve usměrněno, poté vyhlazeno pomocí filtru a následně převedeno pomocí měniče na sekvenci vysokofrekvenčních impulsů. Tato vlastnost odlišuje spínaný napájecí zdroj od lineárního napájecího zdroje. Vstupní a výstupní napětí je regulováno pomocí signálu se zápornou zpětnou vazbou, což umožňuje řídit parametry impulsů přiváděných do výkonových tranzistorů. Moderní UPS nemají snižovací síťový transformátor, díky čemuž jsou kompaktnější a efektivnější.

Hlavní část

V elektrických sítích má napětí sinusový tvar řádově 50 Hz nebo 60 Hz. Některá zařízení vyžadují tuto formu, zatímco jiná vyžadují konstantní napětí. Zde přichází na řadu funkce spínaných zdrojů (UPS). Název “spínaný zdroj” neodkazuje na tvar výstupního napětí, ale na převodní stupně, které vytvářejí impulsy, které je třeba usměrňovat a vyhlazovat.

Existují dva typy spínaných zdrojů: s galvanickým oddělením a bez galvanického oddělení.

Galvanicky izolované napájecí zdroje používají vysokofrekvenční impulsy, které jsou posílány do transformátoru, aby zajistily izolaci elektrického obvodu. Zařízení tohoto typu mají relativně malé feritové jádro, které se vyznačuje vysokým výkonem při pracovních frekvencích. Obvykle jsou jádra transformátorů vyrobena z různých druhů feritů spíše než z elektrické oceli, což umožňuje vytvoření kompaktnějších prvků napájení.

Spínaný zdroj připojený k síti obsahuje usměrňovač síťového napětí, vyhlazovací filtr, generátor impulzů a tvarovač impulzů s nastavitelnou dobou trvání, dále dvoustupňový nebo jednostupňový zesilovač výkonu, výstupní usměrňovače a stabilizaci výstupního napětí. obvod. U spínaných zdrojů vytvořených pomocí algoritmů bez použití galvanického oddělení není vysokofrekvenční transformátor a signál je posílán přímo do dolní propusti. Pulsně šířkově modulované (PWM) signály jsou aplikovány na řídicí tranzistory, které jsou obvykle zapojeny v konfiguraci můstku nebo polovičního můstku. Jako ovládací prvky se používají především tranzistory IGBT nebo MOSFET, vyznačující se nízkým napětím na otevřených přechodech a vysokou rychlostí spínání. Tyto tranzistory rozptylují spínací výkon efektivněji než bipolární tranzistory podobné velikosti a vlastností. Klasické a výstupní pulsní transformátory pracují na stejném principu, ale při provozu na vyšších frekvencích mají menší rozměry.

Napětí přicházející ze sekundárních vinutí je směrováno do výstupních usměrňovačů. Tyto diody musí podporovat vyšší pracovní frekvence než vstupní usměrňovač. V tomto případě jsou Schottkyho diody nejlepší volbou kvůli jejich vysoké pracovní frekvenci, nízkému úbytku napětí a malé kapacitě pn přechodu. Nejčastěji se místo tradičních transformátorů s polovodičovými stabilizátory používají pulzní měniče napětí. Jsou lehké a kompaktní, vysoce spolehlivé a účinné a mohou pracovat v širokém rozsahu vstupního napětí. Pro zvýšení účinnosti spínaného zdroje je nutné minimalizovat vliv parazitních prvků. Neschopnost dosáhnout téměř 100% účinnosti je často způsobena přítomností těchto nežádoucích prvků a vlastnostmi jednotlivých komponent. Během procesu návrhu je důležité najít správnou rovnováhu mezi účinností napájení a cenou.

Invertorové měniče se používají v počítačovém vybavení, poplašných systémech, nepřerušitelných zdrojích napájení, spotřební elektronice a video dohledu. Je důležité vzít v úvahu, že parazitní prvky mohou nejen snížit účinnost, ale také vykonávat užitečné funkce v obvodu. Například, když dojde ke zkratu na výstupu měniče, parazitní prvek může obsahovat zkratový proud. Vliv parazitických složek se tedy může lišit od pozitivního k negativnímu a stejná část se může chovat za různých podmínek odlišně.

Výhody UPS:

• kompaktní velikost;
• nízká hmotnost;
• vysoká účinnost, protože k hlavním ztrátám energie dochází na výkonových spínačích;
• široký rozsah vstupního napětí;
• nízká cena díky univerzálním součástkám a automatizované výrobě, která snižuje náklady díky méně výkonným polovodičům;
• Účinnost UPS dosahuje asi 97 %.

Nevýhody UPS:

• omezení výkonu, které znesnadňuje práci při určité zátěži;
• vysokofrekvenční rušení, ke kterému dochází během provozu;
• nutnost filtrování rušení.

Struktura spínaného zdroje

Podívejme se, jak funguje nepříliš složitý spínaný zdroj v nejběžnější konfiguraci:

• bezpečnostní prvky;
• filtr pro potlačení šumu;
• diodový usměrňovač;
• vyhlazovací filtr;
• PWM (modulátor šířky pulzu);
• blok klíčových tranzistorů napájení;
• vysokofrekvenční transformátor;
• Zpětná vazba;
• usměrňovače;
• skupinové/individuální filtry.

Úkol šumový filtr je eliminovat rušení vznikající ze samotného napájecího zdroje. Časté používání vysoce výkonných polovodičových prvků může vést ke vzniku krátkodobých pulzů, které jsou pozorovány v širokém frekvenčním rozsahu. Pro minimalizaci jejich dopadu na výstupní signál se používají speciální řetězce propustných kondenzátorů, které fungují jako filtry pro tyto impulsy.

Hlavní funkcí diodového usměrňovače je převádět vstupní střídavé napětí na výstupní stejnosměrné napětí. Parazitní oscilace, které se mohou objevit, jsou vyhlazeny filtrem nainstalovaným v obvodu.

Pokud spínaný zdroj obsahuje DC-DC měnič, pak bude použití řetězce usměrňovače a filtru nadbytečné, protože vstupní signál bude vyhlazený již na stupni šumového filtru.

Modulátor šířky pulzu (PWM) představuje nejsložitější prvek v zařízení. Plní řadu funkcí: vytváří vysokofrekvenční pulsy v rozsahu od kilohertzů do několika set kilohertzů;
na základě dat zpětnovazebního signálu přizpůsobuje parametry sekvence výstupních impulsů;
chrání obvod před přetížením.

Pulsy PWM jsou aplikovány na vysoce výkonné spínací tranzistory, obvykle implementované v můstkových nebo polomůstkových obvodech. Výstupy těchto tranzistorů jsou připojeny k primárnímu vinutí transformátoru. Jako součástky jsou použity tranzistory MOSFET nebo IGBT, které se od bipolárních analogů liší méně výrazným snížením napětí na přechodu a vyšší rychlostí. To umožňuje snížit parametry ztrátového výkonu bez změny rozměrů zařízení.

Princip činnosti pulzní transformátor podobně jako tradiční transformátory fungují v napájecích zdrojích. Klíčový rozdíl je však v tom, že pulzní transformátor pracuje na výrazně vyšších frekvencích. To umožňuje snížit hmotnost i rozměry zařízení při stejné úrovni výstupního výkonu.

Impuls přijatý ze sekundárního vinutí transformátoru (všimněte si, že jich může být několik) je přiváděn do výstupních usměrňovačů. Na rozdíl od podobných prvků na vstupu bloku zde musí být diody navrženy pro provoz s vysokými frekvencemi. Schottkyho diody se s tímto úkolem optimálně vypořádají díky své konstrukci, která zajišťuje nízkou kapacitu přechodu pn a minimální úbytek napětí i při vysokých frekvencích.

Výstupní filtr — určené k vyhlazení vlnění po usměrnění napětí. V podmínkách vysokofrekvenčních pulzů není potřeba používat výkonné kondenzátory a cívky.

Zásady konstrukce spínaných zdrojů

1. Obvod nejjednoduššího a velmi rozšířeného snižujícího měniče (stabilizátoru napětí s PWM). Používá se ke snížení napětí. V praxi se používají snižovací měniče napětí z 24 voltů na 12 voltů, například ve vozidlech, kde palubní síť není 12 voltů jako u automobilů, ale je potřeba připojit klasické rádio, nabíječku, navigátor atp. Klávesa je ovládána pulzy s proměnnou délkou trvání. Energie pulsu se akumuluje v induktoru a poté po zavření klíče plynule nabíjí kondenzátor. Napětí na kondenzátoru je monitorováno zpětnou vazbou. Výstupní napětí je udržováno na dané úrovni změnou doby trvání odemykacích impulsů klíče. Obvod se používá v základních deskách počítačů. V různých rozšiřujících kartách, například v grafických kartách. Minimální ztráty, maximální proud.
2. Obvod nejjednoduššího zesilovacího měniče je podobný obvodu 1, pouze princip činnosti je založen na zvýšení napětí. Používá se v některých předřadnících k zahájení výboje v plynném prostředí.
3. Obvod nejjednoduššího snižujícího měniče je podobný obvodu 1, ale umožňuje získat záporné napětí z kladného.
4. Jednostranný obvod zpětného měniče. V minulosti se nejčastěji používal v nízkoenergetických zdrojích, jako jsou nabíječky telefonů. Nyní nahrazeny specializovanými mikroobvody. Během otevřeného stavu spínače (dopředný chod) se energie ukládá v jádru transformátoru. Když je spínač sepnutý (reverzní), uložená energie se přenese do výstupního kondenzátoru. Proto se tomu říká „flyback“. Negativní vlastností, kromě nízké účinnosti, je jednostranná magnetizace jádra transformátoru. Vynutí mezeru. Stejně jako vysokonapěťové rázy na primárním vinutí transformátoru, když není zátěž. Vyžadují vysokonapěťové tranzistory a tlumicí obvody paralelně k transformátoru.
5. Schéma dopředného převodníku s jedním koncem. Na rozdíl od flybacku se energie v něm přenáší v okamžiku, kdy je klíč otevřen (vpřed). V tomto případě nejde veškerá energie přímo do zátěže, ale část je uložena ve výstupní tlumivce. A plně nabíjí výstupní kondenzátor při sepnutém klíčku, což je podobné jako u obvodu 1. V obvodu 5 je do transformátoru vloženo třetí vinutí (může chybět). Jedná se o rekuperační vinutí. Obvykle obsahuje stejný počet závitů jako primární vinutí. Umožňuje vrátit část energie z transformátoru do zdroje proudu. Zabraňuje přepětí vysokého napětí a chrání klíč před poruchou. Také demagnetizuje jádro a zabraňuje nasycení. Tento obvod lze nalézt ve svařovacím stroji zvaném „pevný“ a ve zdroji středního výkonu pro napájení například malých LCD televizorů.
6. Schéma dopředného jednokoncového měniče se dvěma spínači a bez třetího vinutí. Klíče se otevírají a zavírají synchronně! Tato obvodová konstrukce umožnila zbavit se vysokonapěťových emisí a umožnila použití relativně nízkonapěťových spínačů. Tento obvod se také nazývá „šikmý můstek“ a díky své jednoduchosti a spolehlivosti se často používá v levných svařovacích invertorech. A také výrazně nižší náklady na klíče. V převodníku flyback lze také použít šikmý můstek. Měniče se budou lišit pouze fázováním zapojení sekundárního vinutí a principem akumulace energie. (ne v induktoru, ale v transformátoru) a podle toho i v jiné výstupní části.
7. Obvod push-pull polomůstkového pulzního měniče. Používá se téměř ve všech počítačových zdrojích a ve svařovacích invertorech střední ceny. Velmi spolehlivý a má dobrou účinnost. Princip činnosti je téměř stejný jako u běžného síťového transformátoru, pouze pulsy jsou obdélníkové a frekvence je několik desítek kilohertzů.
8. Schéma zapojení pulsního měniče s plným můstkem. Vyznačuje se maximálním využitím všech možností transformátoru. Klávesy fungují v párech jako dva spojené šikmé mosty. Používá se v drahých a výkonných svařovacích invertorech.

Existuje ještě jedno zajímavé řešení. Takzvaný Sepik:

Jak vidíte, na rozdíl od chopperu má oddělovací kondenzátor a přídavný. plynu. Škrtící klapky lze dokonce kombinovat. Obvod se nebojí zkratu na výstupu.

Prohozením L2 a D1 můžete získat záporné napětí na výstupu.

Tento obvod se také nazývá převodník Chuka.

No a když spojíme oba okruhy, dostaneme bipolární zdroj!

Pouze jeden klíč a ochrana proti zkratu!

Závěr

Moderní svět si bez použití spínaných zdrojů nelze představit a jejich obliba každým rokem jen roste. V dnešní době je stále obtížnější najít spotřebič nebo zdroj energie, který využívá starší elektrické transformátory s ocelovým jádrem. Spínané zdroje předčí transformátorové v parametrech jako je bezpečnost, velikost a schopnost regulace proudu. Používají se v nabíječkách mobilních telefonů, notebooků a baterií, dále v nepřerušitelných zdrojích napájení, zesilovačích, rádiích a monitorech. Spínané zdroje lze považovat za jeden z největších úspěchů v oblasti elektroniky. Máme článek o zdrojích lineárního transformátoru.

Spínané zdroje (UPS), přes veškerou vědeckou vážnost jejich jména, jsou nám velmi známá zařízení. Používáme je neustále, když nabíjíme mobilní telefony nebo připojujeme počítače a notebooky k síti. UPS jsou také zabudovány do základů energeticky úsporných lamp, televizorů a nepřerušitelných zdrojů napájení (které jsou také zkráceny UPS). Jaké jsou výhody spínaných zdrojů a jaké jsou jejich nevýhody? Více vám prozradíme v tomto článku.

Co se v UPS převádí na co?

Začněme hlavním rozdílem mezi transformátorem a spínaným zdrojem. Stručně řečeno, transformátorový zdroj převádí střídavý elektrický proud jednoho napětí na proud jiného napětí o stejné frekvenci (například 220 voltů na 24 voltů při frekvenci 50 Hz).

Může také „sledovat“, že výstupní napětí nekolísá po jeho kolísání na vstupu (v tomto případě se napájení transformátoru nazývá stabilizátor napětí) – ale přesto zůstává transformátor „hlavní postavou“ výkonu transformátoru. zásobování.

U spínaného zdroje je ale vše jinak: střídavý elektrický proud přicházející ze sítě nejprve usměrní a následně přemění na proud zcela jiné frekvence a napětí.

Začněme tím, jak se usměrňuje elektrický proud.

Když se tedy změní polarita proudu v síti přes zátěž za usměrňovačem, bude proud téci vždy jedním směrem. Nyní bude z tohoto stejnosměrného proudu pracovat pulzní jednotka, která bude mít přibližně následující obvod:

Přes veškerou zdánlivou složitost tohoto obvodu jej můžeme vidět ve skutečnosti, pokud otevřeme nabíječku pro mobilní telefon. Bude to vypadat hotové, jak je znázorněno na obrázku.

Jedná se o nabíječku, která převádí 220V střídavý proud ze zásuvky na 5V stejnosměrný proud pro nabíjení mobilního telefonu nebo tabletu.

Pokud bychom potřebovali snížit napětí z 220 na 5 Voltů, pak bychom potřebovali působivě dimenzovaný transformátor, který by také pracoval s účinností cca 65–70 %. Přitom, jak je patrné ze schématu, zařízení se stále neobešlo bez transformátoru. Rozměry transformátoru ve spínaném zdroji však budou nesrovnatelně menší, neboť čím vyšší je frekvence proudu, tím vyšší je účinnost transformátoru a tím nižší jsou požadavky na jeho jádro. Transformátor v UPS se proto změní na velmi malý „prstenec“.

Spínané zdroje mají výrazně vyšší účinnost (až 90-98 %) a mnohem nižší náklady, díky hromadné výrobě vysoce výkonných klíčových tranzistorů. Napájecí zdroje v domácích počítačích, kancelářském vybavení a další spotřební elektronice se proto nyní téměř všechny přepínají.

UPS pro UPS

Rozšířené používání spínaných zdrojů v domácí elektronice má ještě jeden důvod. V domácích počítačích bývají součástí nepřerušitelných zdrojů napájení, které by měly chránit zařízení v případě náhlého a úplného výpadku proudu.

Takové zařízení obsahuje několik prvků, včetně:

• baterie poskytující napětí 24 nebo 36 voltů;
• spínané napájecí zdroje pro počítače, které převádějí střídavý proud na stejnosměrný proud;
• mikrozařízení, která monitorují nabití baterie;
• systémy nabíjení baterií.

A pokud ve vašem domě náhle zhasnou světla, pak vám nepřerušitelný zdroj napájení připojený k UPS poskytne několik minut času na uložení dat a vypnutí počítače v normálním režimu.

Navíc, jak již bylo zmíněno, spínané zdroje dokážou přeměnit stejnosměrný proud na střídavý proud velmi rozdílných frekvencí při zachování konstantního napětí. Tato okolnost umožňuje další domácí elektronice (například televizory) pracovat stabilně i při výrazných výkyvech napětí v elektrické síti.

Každý má své chyby

Přes všechny své výhody jsou však spínané zdroje stále „skryty“ v pouzdrech na spotřební elektroniku nebo jsou určeny výhradně k nabíjení jednoho telefonu.

Důvodem je to, že vysokofrekvenční proudy generované spínanými zdroji generují elektromagnetické oscilace, které jsou ostatními elektronickými zařízeními vnímány jako rušení. Při převodu proudů o malém výkonu není tento efekt příliš patrný a lze jej poměrně snadno neutralizovat různými způsoby blokování. Ale s vysokým proudovým výkonem se rušení jistě projeví.

Spínané zdroje mají navíc ještě jednu vlastnost – fungují dobře jen v dost úzkém výkonovém rozsahu. Při minimální nebo zvýšené zátěži má UPS problémy s provozem tranzistorů.

Spínaný zdroj bude tedy dobrý pro TV nebo počítač, jehož spotřeba je vždy přibližně stejná, ale nebude vhodný pro stabilizátor napětí určený pro připojení více zátěží.

vyzvednout spínaný zdroj možné v TVK” Elektrocentrum » a na stránkách internetového obchodu Stv 39. ru .