Wyklad_nr16_ZasilImp_W12

19. Zasilacze impulsowe
19.1. Wstęp
Sieć
energetyczna
(np. 230V, 50 Hz
Prostownik
sieciowy
Stabilizator
napięcia
Rys. 19.1.1. Zasilacz o działaniu ciągłym
Napięcie
stałe EA
Zasilacz
impulsowy
R
Napięcie0
stałe
R0
Napięcie (napięcia)
stałe U0
Rys. 19.1.2. Zasilacz impulsowy zasilany z akumulatora (baterii)
Sieć
energetyczna
(np. 230V, 50 Hz
Prostownik
sieciowy
Zasilacz
impulsowy
R
0
Napięcie (napięcia)
stałe
Rys. 19.1.3. Zasilacz impulsowy zasilany z sieci energetycznej
Podstawowe zalety :
1. Duża sprawność energetyczna η
( 70 - 85 % przy częstotliwości pracy 30 - 500 kHz,
85 - 93 % przy częstotliwościach pracy 500 kHz - 2MHz),
2. Możliwość uzyskania dużych mocy wyjściowych (kilka do
kilkuset watów, a w układach mostkowych nawet do 2 KW),
3. Małe rozmiary urządzeń, łatwość hermetyzacji, eksploatacja
w warunkach chłodzenia naturalnego,
4. Łatwość transformacji napięcia zasilającego oraz możliwość
uzyskania izolacji galwanicznej między źródłem zasilania a
obciążeniem.
Podstawowe wady :
1. Możliwość wytwarzania silnych zakłóceń radioelektrycznych,
przy braku odpowiednich zabezpieczeń,
2. Mniejsza niezawodność i trwałość niż zasilaczy o działaniu ciągłym.
Zasilacze impulsowe powinny spełniać następujące wymagania
techniczne :
-utrzymanie stałego napięcia wyjściowego niezależnie od zmian
napięcia wejściowego, prądu obciążenia i temperatury w określonych
przedziałach zmian tych wielkości,
- bardzo dobre tłumienie tętnień na wyjściu zasilacza,
-mała wrażliwość napięcia wyjściowego na skokowe zmiany
obciążenia,
- niski poziom zakłóceń radioelektrycznych przewodzonych w kierunku
wejścia i wyjścia oraz promieniowanych do otaczającej zasilacz
przestrzeni (poniżej poziomu dopuszczalnego przez normy),
- małe napięcie szumów na wyjściu,
- zabezpieczenie nadprądowe,
- zdolność podtrzymania napięcia wyjściowego podczas chwilowego
zaniku napięcia sieciowego (zasilacze sieciowe).
19.2. Rodzaje stabilizowanych zasilaczy impulsowych
Stabilizowane zasilacze impulsowe można podzielić na zasilacze :
- o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie od wejścia,
- o wyjściu oddzielonym galwanicznie od wejścia.
Beztransformatorowy zasilacz
niestabilizowany napięcia stałego
U~
Filtr w.cz.
Prostownik
mostkowy
z filtrem.
Układ sterujący
współczynnikiem
wypełnienia.
Impulsowy stabilizator
napięcia stałego
Przełącznik
tranzystorowy
w.cz..
Filtr
Filtr w.cz.
Wzmacniacz
sygnału
błędu.
U=
UREF
Układ regulacji
Rys. 19.2.1. Zasilacz impulsowy o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie
Beztransformatorowy zasilacz
niestabilizowany napięcia stałego
U~
Filtr w.cz.
Prostownik
mostkowy
z filtrem.
Układ sterujący
współczynnikiem
wypełnienia.
Impulsowy stabilizator
napięcia stałego
Przełącznik
tranzystorowy
w.cz..
Filtr
Układ regulacji
Transformator
w.cz.
Prostownik
i filtr w.cz.
U=
Wzmacniacz
sygnału
błędu.
UREF
Rys. 19.2.2. Zasilacz impulsowy o wyjściu oddzielonym galwanicznie
Inne kryteria podziału :
Obydwie grupy zasilaczy impulsowych można z kolei podzielić
ze względu na zasadę działania na :
-konwertery jednotaktowe (współbieżne, przepływowe) charakteryzujące
się tym, ze w tej samej części okresu, w którym występuje
magazynowanie energii w polu magnetycznym, zachodzi
bezpośrednie przekazywanie energii ze źródła do obciążenia. Inaczej
mówiąc przekazywanie energii do obciążenia odbywa się podczas
włączenia klucza lub kluczy,
-konwertery dwutaktowe (przeciwbieżne, zaporowe), charakteryzujące
się tym, że energia ze źródła jest magazynowana najpierw w polu
magnetycznym dławika (transformatora) w czasie przepływu prądu
przez uzwojenie a następnie przekazywana do obciążenia dopiero
po przerwaniu przepływu prądu. Inaczej mówiąc przekazywanie
energii odbywa się przy wyłączonym kluczu lub kluczach.
Kryterium rodzaju modulacji przy regulacji napięcia wyjściowego :
-przetwornice z modulacją szerokości impulsów (PWM). W tych
przetwornicach zmienia się położenie czasowe zbocza przedniego
lub tylniego, względnie obu zboczy impulsu, w zależności od
wartości chwilowej modulującego sygnału błędu, natomiast
częstotliwość powtarzania impulsów, okres oraz amplituda impulsów
są stałe,
- przetwornice z modulacja częstotliwości (PFM). W tych
przetwornicach sygnał błędu moduluje chwilową częstotliwość
impulsów, czyli liczbę impulsów przypadających na jednostkę czasu.
Kryterium budowy obwodu głównego :
- przetwornice dławikowe (o wspólnym węźle dla wejścia i wyjścia),
- przetwornice transformatorowe ( o rozdzielonym wejściu i wyjściu).
19.3. Przetwornice o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie
od wejścia ( przetwornice dławikowe)
19.3.1. Przetwornica obniżająca napięcie stałe.
IWE
UWE
IL
US
L
C
UWY
RL
Rys. 19.3.1.1. Podstawowy schemat przetwornicy obniżającej
napięcie stałe.
Tranzystor spełnia rolę klucza , którego czasy włączenia ton i
wyłączenia toff zależą od prostokątnego sygnału sterującego Us.
Cewka indukcyjna gromadzi energię pola magnetycznego w czasie
załączenia klucza ton (konwerter współbieżny) i przekazuje ją do
obciążenia RL w czasie toff.
W chwili, gdy tranzystor przewodzi prąd dławika IL i tym samym prąd
kolektora IC (dioda D jest wówczas spolaryzowana zaporowo) narastają
liniowo (rys.19.2.1.2).Po upływie czasu załączenia ton tranzystor
znajdzie się w stanie wyłączenia (klucz rozwarty). Zgromadzona w polu
magnetycznym energia indukuje SEM o odwrotnej polaryzacji i dioda D
zaczyna przewodzić prąd do obciążenia.
Napięcie wyjściowe jest wyrażone zależnością
UW Y   UW E
ton

1
ton  toff
(19.3.1.1)
(19.3.1.2)
US
t
γT
IL
T
IL max
IL min
IL śr
t
IWE
t
ton toff
Rys. 19.3.1.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej
napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie
nadkrytyczne.
US
t
γT
T
IL
t
IWE
t
ton toff
Rys. 19.3.1.3. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej
napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie
krytyczne.
US
t
γT
T
IL
t
IWE
t
ton toff
Rys. 19.3.1.4. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej
napięcie stałe (przetwornica współbieżna) – obciążenie
podkrytyczne.
Przy obciążeniu podkrytycznym napięcie wyjściowe jest silnie
uzależnione od rezystancji obciążenia. Zmiany te mogą być
skorygowane przez zmianę współczynnika wypełnienia γ układu
sterującego, pracującego w pętli sprzężenia zwrotnego. Jednak
przy bardzo malej wartości prądu obciążenia napięcie wyjściowe
zbliża się do napięcia wejściowego UWE i układ staje się niesterowalny
poprzez zmiany γ.
W praktyce tego typu układy pracują zawsze ze wstępnym obciążeniem
oraz stosuje się dodatkowe zabezpieczenia przed niedopuszczalnym
wzrostem napięcia wyjściowego.
Przedstawione na rys. 19.3.1.2 – rys. 19.3.1.4 przebiegi czasowe są
idealizowane, ponieważ nie uwzględniają takich parametrów jak:
rezystancji dławika, zmiany indukcyjności dławika wywołane
nasyceniem się rdzenia, skończoną rezystancję klucza w stanie
załączenia i wyłączenia, indukcyjności rozproszenia.
19.3.2. Przetwornica podwyższająca napięcie
IL
UWE
L
US
ID
D
C
UWY
RL
Rys. 19.3.2.1. Podstawowy schemat przetwornicy podwyższającej
napięcie stałe (przetwornica przeciwbieżna).
Energia jest gromadzona w indukcyjności, w czasie gdy tranzystor
kluczujący jest stanie przewodzenia, a następnie przekazywana
poprzez diodę do kondensatora filtrującego oraz obciążenia podczas
wyłączenia tranzystora (przetwornica przeciwbieżna).
W układzie tym następuje sumowanie napięcia zasilającego oraz
siły elektromotorycznej samoindukcji wytworzonej przez
rozładowanie energii zgromadzonej w induktorze. Napięcie
wejściowe jest wyższe od wejściowego i zależy od współczynnika
wypełnienia impulsów sterujących.
Przebiegi prądów w układzie dla przypadku, gdy prąd obciążenie
I0 jest równy prądowi indukcyjności iL (obciążenie krytyczne)
przedstawia rys.19.3.2.2..
US
t
γT
T
IL
t
IC
t
ID
t
ton toff
Rys. 19.3.2.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy
podwyższającej napięcie (przetwornica przeciwbieżna).
Napięcie wyjściowe zależy od wartości parametrów elementów
zastosowanych w układzie i może być oszacowane jako równe :
a) prąd cewki płynie przez cały okres T=ton + toff
UW Y
UW E

1
ton

1
ton  toff
(19.3.2.1)
b) prąd cewki płynie w interwale czasowym krótszym od okresu T
UW Y
U W2 E
 UW E 
2 L I0 f
I0 - prąd obciążenia,
f - częstotliwość impulsowania
(19.3.2.2)
19.3.3. Przetwornica zmieniająca polaryzację napięcia
IC
UWE
IL
T
US
L
C
UWY
RL
Rys. 19.3.3.1. Podstawowy schemat przetwornicy zmieniającej
polaryzację napięcia
W pierwszej fazie magazynowania energii, przy włączonym
tranzystorze T , napięcie UWE jest przyłożone do indukcyjności L
i prąd w niej narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana
zaporowo (przetwornica przeciwbieżna).
W drugiej fazie rozładowania, przy wyłączonym tranzystorze T,
rozładowująca się indukcyjność przekazuje zgromadzoną w niej energię
na wyjście układu. Część malejącego prądu iL indukcyjności płynie
przez rezystancję obciążenia RL, a część ładuje wyjściowy kondensator
C (poprzez przewodzącą diodę D), przy czym biegunowość napięcia
wyjściowego jest przeciwna do biegunowości napięcia wejściowego.
US
t
γT
T
IL
t
UW Y
UW E

1
IC
t
ton toff
Rys. 19.3.3.2. Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy zmieniającej
polaryzację napięcia (przetwornica przeciwbieżna).
19.4. Przetwornice transformatorowe
IL
D1
D
3
UWE
L3
*
*
L1
*
L2
D2
L
RL
4
UWY
C
US
CS
DS
R
S
Rys. 19.4.1. Podstawowy schemat transformatorowej
przetwornica współbieżnej
RL
D1
*
L1
UWE
L2
*
C
UW
Y
US
CS
DS
R
S
Rys. 19.4.2. Podstawowy schemat przetwornicy transformatorowej
przeciwbieżnej
19.5. Układy stabilizacyjne i zabezpieczające impulsowych
stabilizatorów napięcia
19.5.1. Układy stabilizacyjne
Układy stabilizacyjne mogą pracować z wykorzystaniem modulacji :
-szerokości impulsów (PWM),
-częstotliwości (PFM).
Układy stabilizacyjne pracujące z wykorzystaniem modulacji
szerokości impulsów (PWM) dzielimy z kolei na układy :
-z „czystym” sprzężeniem zwrotnym napięciowym ,
-ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym i prądowym.
Napięcie wyjściowe uWY jest porównywane z napięciem odniesienia
UREF, a wynikowy sygnał błędu uB jest z kolei porównywany z
napięciem piłokształtnym uP o ustalonej częstotliwości. Wynikiem
tego ostatniego porównania jest przebieg prostokątny o zmiennym
współczynniku wypełnienia impulsów, sterujący kluczem
tranzystorowym.
Schemat blokowy układu stabilizacyjnego z modulacją szerokości
impulsów ((PWM) , w którym pętla sprzężenia zwrotnego próbkuje
nie tylko napięcie wyjściowe układu, ale również prąd płynący przez
element kluczujący.
Zastosowanie dodatkowego sprzężenia zwrotnego prądowego zapewnia
większą odporność układu na pracę w warunkach przeciążenia oraz
zapewnia lepsze parametry regulacji w sytuacji szybkich zmian prądu
pobieranego z zasilacza.