Stabilizatory impulsowe i przetwornice napięcia stałego

Transkrypt

1 1 Stabilizatory impulsowe i przetwornice napięcia stałego Zasada pracy wszystkich omawianych dotąd stabilizatorów napięcia stałego jest taka sama: szeregowo ze źródłem niestabilizowanego napięcia stałego jest włączony liniowy element regulacyjny (tranzystor szeregowy) sterowany poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego tak, aby napięcie wyjściowe (lub prąd wyjściowy) miało stałą wartość. Wartość napięcia wyjściowego stabilizatora jest zawsze mniejsza od wartości napięcia niestabilizowanego doprowadzanego do jego wejścia, a na elemencie regulacyjnym zawsze wydziela się pewna moc (dokładniej, moc ta jest równa średniej wartości I wy (U we U wy )). Drugorzędną odmianą stabilizatorów napięcia stałego są stabilizatory równolegle (ang. Shunt regulators), w których element regulacyjny jest włączony między wyjście a masę, a nie szeregowo z obciążeniem. Układ stabilizatora równoległego jest podobny do układu stabilizatora z diodą Zenera. Istnieje zupełnie inny sposób wytwarzania stabilizowanego napięcia stałego niż dotąd rozważane. W przedstawionym stabilizatorze impulsowym (ang. switching regulator lub switcher) tranzystor pracujący jako klucz nasycony powoduje cykliczne dołączanie na krótko cewki indukcyjnej do źródła niestabilizowanego napięcia wejściowego. W czasie trwania każdego impulsu nasycającego tranzystor prąd płynący przez cewkę narasta liniowo. W polu magnetycznym cewki gromadzi się energia o wartości 1/2LI 2, która w następnej fazie cyklu jest przekazywana do kondensatora filtrującego, dołączonego do wyjścia stabilizatora. Kondensator wygładza tętnienia napięcia wyjściowego (dostarcza prąd do obciążenia w fazie uzupełniania energii cewki indukcyjnej). Podobnie jak w przypadku stabilizatorów o regulacji ciągłej, następuje porównanie wartości napięcia wyjściowego z wartością napięcia odniesienia, lecz otrzymane w ten sposób napięcie błędu stanowi sygnał wejściowy pętli sprzężenia zwrotnego, która koryguje wartość napięcia wyjściowego poprzez zmianę częstotliwości przełączania klucza lub zmianę czasu trwania impulsu włączającego klucz, a nie przez liniowe sterowanie przewodnością tranzystora. Stabilizatory impulsowe mają niezwykłe właściwości, decydujące o ich dużej popularności. Ponieważ element regulacyjny pracuje dwustanowo jest albo wyłączony albo nasycony traci się w nim bardzo mało mocy. Dlatego stabilizatory impulsowe charakteryzują się dużą sprawnością nawet wtedy, gdy różnica napięć między wejściem a wyjściem ma dużą wartość. Wartość napięcia wyjściowego stabilizatorów tego typu może być większa niż wartość napięcia Wejściowego. Za pomocą stabilizatora impulsowego można również bez trudu przetwarzać napięcie o jednej polaryzacji na napięcie o przeciwnej polaryzacji. Ponadto, zasilacze impulsowe mogą być tak projektowane, aby nie istniała droga dla prądu stałego między wejściem a wyjściem. Oznacza to możliwość zasilania takiego stabilizatora bezpośrednio z wyjścia układu prostującego napięcie sieciowe, bez potrzeby stosowania transformatora sieciowego!. W efekcie otrzymuje się zasilacz napięcia stałego bardzo mały, lekki i o dużej sprawności. Te cechy decydują o powszechnym stosowaniu zasilaczy impulsowych w sprzęcie komputerowym.

2 2 Zasilacze impulsowe sprawiają również kłopoty. Na wyjściu zasilacza tego typu występują zakłócenia impulsowe. Zakłócenia impulsowe są również wprowadzane z zasilacza poprzez przewody zasilające do sieci oświetleniowej. Stabilizator zmniejszający wartość napięcia (wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza od wartości napięcia wejściowego). Na rysunku przedstawiono schemat części przełącznikowej podstawowego układu stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia (ang. step-down lub bucking regulator). Aby nie komplikować rysunku, pominięto obwód sprzężenia zwrotnego. Gdy tranzystor MOS jest włączony, na cewce pojawia się napięcie o stałej wartości: (U we -U wy ), co jest przyczyną liniowego narastania prądu w cewce (przypomnijmy, że di/dt = U/L). Prąd ten wpływa oczywiście do kondensatora i do obciążenia. Po wyłączeniu tranzystora prąd nadal płynie przez cewkę w tym samym kierunku (cewka opiera się wszelkim gwałtownym zmianom prądu, co wynika chociażby z przypomnianego równania). Obwód prądu zamyka się przez diodę, która wchodzi w stan przewodzenia. Kondensator umieszczony na wyjściu układu pełni funkcję koła zamachowego" akumulującego energię. Wygładza on piłozębne tętnienia napięcia wyjściowego (im większa jest wartość pojemności kondensatora tym mniejsza jest amplituda napięcia tętnień). W tej fazie wartość napięcia na cewce jest prawie stała i równa (U wy 0,6) [V], co powoduje liniowe zmniejszenie są prądu w cewce. Na rysunku przedstawiono przebiegi napięć i prądów występujących w analizowanym układzie. Oczywiście kompletny układ stabilizatora musi zawierać obwód sprzężenia zwrotnego, który będzie zmieniać albo szerokość impulsów doprowadzanych do bramki tranzystora MOS (przy stałej częstości ich powtarzania), albo częstotliwości impulsów (przy stałej ich szerokości). Sygnałem powodującym zmianę parametrów ciągu impulsów jest sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu, porównującego wartość napięcia wyjściowego stabilizatora z wartością napięcia odniesienia. Na rysunku przedstawiono schemat stabilizatora impulsowego o wartości napięcia wyjściowego równej + 5 V i niewielkiej

3 3 wartości prądu wyjściowego, wykonanego z użyciem układu scalonego MAX638 firmy Maxim. Układ ten umożliwia wykonanie stabilizatora o ustalonej wartości napięcia wyjściowego równej +5 V (bez zewnętrznego dzielnika rezystorowego) albo stabilizatora o dobieranej lub regulowanej wartości napięcia wyjściowego wtedy jest potrzebny zewnętrzny dzielnik napięcia. W wygodnej obudowie mini-dip znajdują się wszystkie niezbędne podzespoły stabilizatora napięcia. Częstotliwość fali impulsów wytwarzanych przez wewnętrzny generator układu MAX638 jest równa 65 khz. Sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu służy do łączenia lub rozłączania wyjścia generatora z bramką tranzystora polowego, stosownie do wartości napięcia wyjściowego. Sprawność przedstawionego układu jest równa około 85% i prawie nie zależy od wartości napięcia wejściowego. Poza dużą sprawnością, omawiany stabilizator zmniejszający wartość napięcia nie ma istotnych zalet (a nawet ma kilka poważnych wad dużą liczbę elementów, zakłócenia impulsowe) w porównaniu ze stabilizatorem o działaniu ciągłym. Sprawa wygląda inaczej, gdy jest potrzebne napięcie stabilizowane o wartości większej niż wartość wejściowego napięcia niestabilizowanego lub napięcie o polaryzacji przeciwnej niż polaryzacja napięcia wejściowego. Wtedy stabilizatory impulsowe stają się bardzo atrakcyjne. Stabilizator zwiększający wartość napięcia (ang. step up lub boosting regulator) Zasada działania stabilizatora impulsowego zwiększającego wartość napięcia została częściowo omówiona podczas porównania go ze stabilizatorem o działaniu ciągłym. Gdy klucz tranzystorowy jest włączony (potencjał punktu X jest bliski potencjałowi masy), wartość prądu płynącego przez cewkę rośnie liniowo. Po wyłączeniu klucza wartość napięcia w punkcie X gwałtownie rośnie, gdyż musi być spełniony warunek ciągłości prądu płynącego przez cewkę. Dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd ładujący kondensator. Wartość napięcia wyjściowego może być wielokrotnie większa od wartości napięcia wejściowego. Stabilizator odwracający napięcie (ang. Inverting lub flyback regulator) Zasadę pracy stabilizatora odwracającego napięcie można wyjaśnić posługując się schematem przedstawionym na rysunku. Gdy klucz tranzystorowy jest w stanie przewodzenia, narastający liniowo prąd cewki płynie od punktu X do masy układu. Po wyłączeniu klucza, z warunku ciągłości prądu płynącego przez cewkę wynika, że potencjał punktu X musi być ujemny, a jego wartość na tyle duża, aby prąd mógł płynąć. Zwróćmy uwagę, że tym razem cewka wyciąga prąd z kondensatora, w wyniku czego napięcie na kondensatorze jest ujemne. Wartość bezwzględna napięcia wyjściowego omawianego układu może być zarówno większa jak i mniejsza od wartości napięcia wejściowego (zależy to od ustalenia parametrów pętli

4 4 sprzężenia zwrotnego). Inaczej mówiąc, stabilizator odwracający napięcie może być układem zwiększającym lub zmniejszającym wartość (bezwzględną) napięcia. Zasilacze impulsowe dołączone bezpośrednio do sieci oświetleniowej Zasilacze impulsowe charakteryzują się dużą sprawnością nawet wtedy, gdy wartość napięcia wyjściowego bardzo różni się od wartości napięcia wejściowego. Fakt ten staje się łatwiej zrozumiały, jeśli wyobrazimy sobie cewkę jako przetwornik impedancji", którego działanie polega na tym, że wartość prądu wyjściowego może być większa (dla stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia) lub mniejsza (dla stabilizatora zwiększającego wartość napięcia) od wartości średniej prądu wejściowego. Dla porównania, stabilizator o działaniu ciągłym zachowuje się zupełnie inaczej. Wartości średnie jego prądu wej. i wyj. są jednakowe, oczywiście z dokładnością do wartości prądu spoczynkowego samego stabilizatora. Spostrzeżenia te prowadzą do radykalnego wniosku: możemy usunąć ciężki, obniżający napięcie transformator sieciowy i zasilać stabilizator impulsowy napięciem otrzymywanym z bezpośredniego prostowania i filtrowania napięcia sieci oświetleniowej. Od razu dwie uwagi: 1. Wartość napięcia stałego na wyjściu prostownika sieciowego jest równa 310V, o wartości skutecznej napięcia równej 230 V). Majsterkowanie w tym układzie lub jego otoczeniu jest niebezpieczne! 2. Brak transformatora oznacza, że zaciski wej. stabilizatora zasilanego z prostownika sieciowego nie są odizolowane od sieci oświetleniowej. Dlatego układ stabilizatora impulsowego musi być zmodyfikowany tak, aby jego zaciski wyjściowe były odizolowane od sieci. Separację wyjść stabilizatora impulsowego od sieci zwykle realizuje się przez nawinięcie drugiego uzwojenia na korpusie cewki pełniącej funkcję akumulatora energii oraz włączenie w pętlę sprzężenia zwrotnego elementu nie pozwalającego na przepływ prądu stałego (może to być transformator lub transoptor). Schemat blokowy sieciowego zasilacza impulsowego przedstawiono na rysunku. Zwróćmy uwagę na sposób zasilania podzespołów stabilizatora napięcia. Generator jest zasilany napięciem niestabilizowanym doprowadzanym do wejścia stabilizatora, natomiast podzespoły pętli sprzężenia zwrotnego (ZNO, wzmacniacz błędu) są zasilane napięciem stabilizowanym z wyjścia stabilizatora. Czasami do zasilania podzespołów pętli sprzężenia zwrotnego stosuje się pomocniczy zasilacz sieciowy małej mocy (z własnym transformatorem sieciowym małej mocy)o niestabilizowanym napięciu wyjściowym. Blok z napisem izolacja" jest często realizowany jako mały transformator impulsowy. Możliwe jest również wykorzystanie w tym miejscu elementów optoelektronicznych (powrócimy do tego tematu dalej).

5 5 Można odnieść wrażenie, że jako lepszy od układu zawierającego jeden transformator uznajemy układ dwutransformatorowy. Cała rzecz nie w liczbie transformatorów, lecz w ich wymiarach. Objętość transformatora zależy od wymiarów rdzenia, które bardzo szybko maleją wraz ze zwiększaniem częstotliwości sygnałów transformowanych. Z tego powodu sieciowe stabilizatory impulsowe są znacznie niniejsze i lżejsze niż równoważne stabilizatory o regulacji ciągłej. Ponadto wydzielają mniej ciepła i ich elementy pracują w niższej temperaturze. Porównajmy dwa zasilacze o stabilizowanym napięciu wyjściowym firmy Power-One o podobnych parametrach i zbliżonej cenie. Stabilizator impulsowy typu SPL (5 V, 26 A) waży 1 kg i zajmuje 1/4 objętości stabilizatora o działaniu ciągłym typu F5-25 (5 V, 15 A), który waży 8,5 kg. Poza tym, temperatura pracy zasilacza impulsowego, jest mniejsza niż zasilacza ze stabilizatorem liniowym. W tym ostatnim przy pełnym obciążeniu wydziela się 75 W mocy. Uwagi na temat zasilaczy impulsowych Możliwości zasilaczy impulsowych jak zwiększane wartości napięcia wejściowego lub jego odwracanie mogą być z powodzeniem wykorzystywane w sytuacjach, gdy potrzebne są źródła napięcia o wartościach: +U i U o niewielkiej wydajności prądowej, a dysponujemy tylko napięciem o jednej wartości mniejszym od U. Z taką sytuacją mamy często do czynienia, gdy potrzebne są bipolarne napięcia do zasilania nadajników linii, stosowanych w układach transmisji szeregowej lub do zasilania układów analogowych, w których są stosowane wzmacniacze operacyjne albo przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. Inną dziedziną zastosowań zasilaczy impulsowych zwiększających wartość napięcia jest wytwarzanie napięć koniecznych do zasilania wyświetlaczy wymagających napięć o dość dużych wartościach, np. fluorescencyjnych lub plazmowych. W wymienionych i wielu podobnych przypadkach mamy do czynienia z przetwarzaniem stabilizowanego napięcia stałego (przeważnie o wartości +5 V). Przyjęło się nazywać układy realizujące to przetwarzanie przetwornicami napięcia stałego. Z punktu widzenia układowego są to oczywiście zasilacze impulsowe. Ciekawy jest fakt, że w zasilaczach impulsowych cewka i kondensator nie pracują jako filtr LC. O ile filtracyjna interpretacja działania tych elementów jest dopuszczalna w przypadku analizy pracy prostego zasilacza zmniejszającego wartość napięcia, to dla zasilacza odwracającego napięcie taka interpretacja jest pozbawiona sensu. Cewka pełni rolę bezstratnego urządzenia akumulującego energię (wartość zgromadzonej przez nią energii jest równa 1/2 LI 2 ), które potrafi transformować impedancję tak, aby była spełniona zasada zachowania energii. Konstrukcje zasilaczy impulsowych W zależności od sposobu, w jaki pętla sprzężenia zwrotnego modyfikuje falę przełączającą klucz tranzystorowy mamy dwa rodzaje zasilaczy: z modulacją szerokości impulsów (ang. PWM switch-mode regulator) oraz ze sterowaniem szczytową wartością prądu cewki (ang. current-mode regulator). W zasilaczach pierwszego typu sygnał sprzężenia zwrotnego steruje szerokością impulsów powodujących włączanie klucza, przy stałej częstotliwości powtarzania impulsów. W zasilaczach drugiego typu mamy do czynienia ze sterowaniem szczytową wartością prądu cewki stosownie do sygnału z czujnika prądu (rezystora). Sygnał wyjściowy pętli sprzężenia zwrotnego (z wyjścia wzmacniacza błędu) również zmienia szerokość impulsów włączających klucz, lecz w tym przypadku dotyczy to każdego impulsu z osobna. Stabilizatory prądowe mają kilka znaczących zalet w porównaniu ze stabilizatorami typu PWM. Ich popularność po opracowaniu scalonych sterowników pozwalających łatwo realizować stabilizatory tego typu, rośnie z dnia na dzień. Przy wyborze stabilizatora napięcia stałego, który ma współpracować z danym układem, należy mieć na uwadze zakłócenia wytwarzane przez stabilizatory impulsowe w chwilach przełączeń. Zakłócenia te ujawniają się w następujący sposób:

6 6 Jako tętnienia napięcia na wyjściu stabilizatora. Częstotliwość tętnień jest równa częstotliwości przełączeń klucza tranzystorowego, a ich wartość międzyszczytowa zawiera się w przedziale od 10 mv do 100 mv. Jako tętnienia napięcia i prądu o częstotliwości przełączeń, wymuszane w układach współpracujących z obwodem wejściowym stabilizatora. Jako promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości przełączeń i jej harmonicznych, wytwarzane przez impulsy prądu płynącego przez cewkę i przewody łączące różne elementy. Zasilacze impulsowe sprawiają mnóstwo kłopotów, gdy próbuje się je wykorzystać w układach przetwarzających sygnały o niskich poziomach napięć (rzędu 100 u V lub mniejszych). Bardzo staranne ekranowanie takiego zasilacza oraz filtracja napięcia wyjściowego umożliwia czasami jego użycie, jednak zwykle wychodzi się lepiej, jeśli od samego początku przyjmie się założenie, że w układzie będzie wykorzystany zasilacz stabilizowany o działaniu ciągłym.