Zaloguj się
Wszystkie
19 września 2024
88
Niemal każdy elektronik z pamięci naszkicuje schemat zasilacza z transformatorem, mostkiem Graetza i stabilizatorem napięcia. Jednak takie zasilacze praktycznie nie są już dziś produkowane (no, może z wyjątkiem kilku specyficznych zastosowań). Sprawa mocno się komplikuje, gdy chodzi o schemat nawet prostego zasilacza impulsowego. Dlatego opracowaliśmy opis najważniejszych topologii przetwornic i rozwiązań układowych, pozwalających uzyskać wyśrubowane parametry zasilacza impulsowego.
Zasilacz impulsowy – podstawowe informacje
Moduł elektorniczny, który przetwarza energię elektryczną, zmieniając jej parametry i nie działa w sposób liniowy, lecz zawiera jeden lub kilka przełączników elektronicznych, to zasilacz impulsowy/przetwornica impulsowa (ang. Switch Mode Power Supply – SMPS). Przełącznikiem elektronicznym jest z zasady element półprzewodnikowy – tranzystor, który zapewnia bardzo niską rezystancję w stanie włączonym (minimalizacja strat przewodzenia) i bardzo dużą rezystancję w stanie wyłączonym. Przełączniki w zasilaczach impulsowych pracują z częstotliwościami od ok. 50 kHz do kilku MHz. Parametry wyjściowe zasilacza są kontrolowane poprzez zmianę cyklu pracy i/lub częstotliwości kluczowania.
Nieodłącznym elementem SMPS jest filtr dolnoprzepustowy zawierający elementy pasywne – cewki indukcyjne i kondensatory umieszczone za kluczem półprzewodnikowym, które zapewniają stabilne wartości napięcia i prądu wyjściowego.
Ponieważ rozmiar elementów pasywnych jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości przełączania, wysoka częstotliwość pracy pozwala na zmniejszenie rozmiarów elementów magnetycznych i kondensatorów. Dodatkowo – chociaż wysoka częstotliwość zapewnia większą gęstość mocy – zwiększa również straty energii wewnątrz przetwornicy i wprowadza dodatkowy szum elektromagnetyczny.
Zasilacze impulsowe przeznaczone do zasilania z sieci energetycznej o napięciu przemiennym 230 V AC zawierają transformator zamiast cewki indukcyjnej. Dzięki temu strona wtórna obwodu jest galwanicznie odizolowana od strony pierwotnej.
Przetwornica typu Forward
Do podstawowych topologii zasilaczy SMPS należy przetwornica typu Forward, która odznacza się dużą sprawnością przetwarzania energii, wynoszącą ok. 95...97% i znajduje zastosowanie w aplikacjach wymagających mocy wyjściowej w zakresie do 300 W. Charakterystycznym elementem obwodu jest transformator podłączony w taki sposób, że uzwojenia pierwotne i wtórne mają zgodną polaryzację – znaczniki początków uzwojeń (kropki) na schemacie są umieszczone obok siebie. Ponadto prostownik na wyjściu transformatora zbudowany jest z dwóch diod, a obwód filtrowania sygnału wyjściowego zawiera cewkę indukcyjną. Uproszczony schemat przetwornicy typu Forward pokazano na rysunku 2. Brakuje na nim ważnego obwodu, któremu jednak poświęcimy oddzielny rozdział.
Załączenie przełącznika półprzewodnikowego Q1 doprowadza zasilanie wejściowe do uzwojenia pierwotnego, co natychmiast powoduje wytworzenie pola magnetycznego sprzężonego z uzwojeniem wtórnym. Zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym prąd narasta liniowo wraz z upływem czasu załączenia. Dioda prostownicza D1 przewodzi prąd wtórny, który przez cewkę Lo trafia do podłączonego obciążenia. Transformator nie magazynuje energii w czasie przewodzenia Q1, energia jest przekazywana bezpośrednio na wyjście konwertera i magazynowana w stopniu wyjściowym przetwornicy – w cewce indukcyjnej Lo oraz kondensatorze Co.
Kiedy przełącznik Q1 zostanie otwarty, pole magnetyczne zanika i żaden prąd nie płynie ani w uzwojeniu pierwotnym, ani we wtórnym. Teraz energia zmagazynowana w cewce LO jest przekazywana do obciążenia dzięki przewodzeniu diody D2. Dioda D1 w tym czasie nie przewodzi. Cewka wyjściowa zmniejsza tętnienia prądu kondensatora wyjściowego.
Napięcie wyjściowe zależy od napięcia wejściowego, współczynnika liczby zwojów NP/NS transformatora i parametrów cyklu pracy przełącznika Q1. Gabaryty transformatora zależą głównie od częstotliwości przełączania i mocy strat.
Transformator typu forward-mode ma wysoką indukcyjność pierwotną (magnesującą) i brak w nim szczeliny powietrznej (transformatory z rdzeniem bez szczeliny nie są w stanie magazynować znacznej ilości energii).
Obwód rozmagnesowania rdzenia
Transformator w przetwornicy Forward zasilany jest impulsami prądu o tym samym kierunku w każdym cyklu pracy. W takich warunkach zjawisko pozostałości magnetycznej transformatora doprowadza do namagnesowania rdzenia. Stopień namagnesowania rdzenia transformatora pogłębia się z każdym cyklem pracy przetwornicy, aż osiąga wartość nasycenia (zwykle w ciągu zaledwie kilku cykli pracy przełącznika).
Wówczas transformator traci swoją pierwotną indukcyjność, a prąd w uzwojeniu narasta gwałtownie i doprowadza do uszkodzenia przełącznika półprzewodnikowego.
Do prawidłowej pracy przetwornicy typu Forward potrzebny jest obwód rozmagnesowania rdzenia w kontrolowany sposób, tzw. obwód resetowania rdzenia w czasie, gdy przełącznik nie przewodzi prądu. Dzięki temu – w następnym cyklu pracy – prąd wejściowy znów będzie narastał od zera. Stosowane są w tym celu 3 główne techniki:
- transformatory z dodatkowym uzwojeniem resetującym,
- przetwornice typu Forward z dwoma przełącznikami,
- przetwornice z aktywnym obwodem rozmagnesowującym – Active Clamp.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
