Zasilacze i stabilizatory impulsowe Ryszard J. Barczyński, 2011 2013 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Zasilacze i stabilizatory impulsowe Podstawowe zalety zasilaczy impulsowych: 1. Duża sprawność energetyczna (do 85% przy częstotliwości pracy 30..500 khz i do 93% przy częstotliwości pracy 0.5..2 MHz), 2. Możliwość uzyskania stosunkowo dużych mocy wyjściowych (kilka do kilkuset watów, a w układach mostkowych nawet kilku 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, 2. Mniejsza niezawodność i trwałość niż zasilaczy o działaniu ciągłym, 3. Duża złożoność.
Zasilacze impulsowe o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie od wejścia Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik Przełącznik Filtr w.cz. mostkowy tranzystorowy U Filtr w.cz. ~ z filtrem. w.cz.. U = Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr Wzmacniacz sygnału błędu. U REF Układ regulacji
Zasilacze impulsowe o wyjściu oddzielonym galwanicznie od wejścia Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Filtr w.cz. Prostownik mostkowy z filtrem. Przełącznik tranzystorowy w.cz.. Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik i filtr w.cz. Transfor- U ~ mator w.cz. U = Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr Wzmacniacz sygnału błędu. Układ regulacji U REF
Zasilacze impulsowe podział ze względu na zasadę działania Ze względu na zasadę działania zasilacze impulsowe możem y podzielić na: - jednotaktowe 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, - dwutaktowe charakteryzujące się tym, że energia ze źródła jest magazynowana najpierw w polu magnetycznym dławika (lub 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.
Zasilacze impulsowe podział ze względu na zasadę działania Kryterium rodzaju modulacji przy regulacji (stabilizacji) napięcia wyjściowego: przetwornice z modulacją szerokości impulsów (PWM). Zmienia się położenie czasowe zbocza przedniego lub tylnego, względnie obu zboczy impulsu, w zależności od wartości chwilowej sygnału błędu, natomiast częstotliwość powtarzania impulsów (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 przy zachowaniu stałej ich częstotliwości (i amplitudy).
Przetwornica dławikowa obniżająca napięcie stałe. U WY = δ U WE I WE I L L δ = t on t on t off 1 U WE U S C U WY Tranzystor spełnia rolę klucza, którego czasy włączenia t on i wyłączenia t off zależą od prostokątnego sygnału sterującego U s. Cewka indukcyjna gromadzi energię pola magnetycznego w czasie załączenia klucza t on i przekazuje ją do obciążenia R L w czasie t off. W chwili, gdy tranzystor przewodzi prąd dławika I L i tym samym prąd kolektora I C narastają (liniowo). Po upływie czasu załączenia t on tranzystor znajdzie się w stanie wyłączenia. Zgromadzona w polu magnetycznym energia indukuje SEM o odwrotnej polaryzacji i dioda D zaczyna przewodzić prąd do obciążenia. R L
Przetwornica dławikowa obniżająca napięcie stałe. U S U S I L γ T T t I L max I L γ T T t I L śr I L min t t I WE I WE t on t off t t on t off t Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (obciążenie nadkrytyczne). Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (obciążenie podkrytyczne).
Przetwornica dławikowa podwyższająca napięcie. U WY = U WE 1 δ δ = t on t on t off 1 U WE I L L U S I D D C R L U WY 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 dwutaktowa). W układzie tym następuje sumowanie napięcia zasilającego oraz siły elektromotorycznej samoindukcji wytworzonej przez rozładowanie energii zgromadzonej w induktorze. Napięcie wyjściowe jest wyższe od wejściowego.
Przetwornica dławikowa zmieniająca polaryzację napięcia. I C T I L L U WY = δ U WE 1 δ U WE U S C U WY W pierwszej fazie magazynowania energii, przy włączonym tranzystorze T, napięcie U WE jest przyłożone do indukcyjności L i prąd w niej narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana zaporowo. W drugiej fazie, przy wyłączonym tranzystorze T, rozładowująca się indukcyjność przekazuje zgromadzoną w niej energię na wyjście układu. Część malejącego prądu i L indukcyjności płynie przez rezystancję obciążenia R L, a część ładuje wyjściowy kondensator C (poprzez przewodzącą diodę D), przy czym biegunowość napięcia wyjściowego jest przeciwna do biegunowości napięcia wejściowego. R L
Przetwornica transformatorowa jednotaktowa. D 1 I L L 4 R L U WE D 3 L 3 * * * L 1 L 2 D 2 C U WY U S C S D S R S
Przetwornica transformatorowa dwutaktowa. D 1 R L U WE L 1 * L 2 * C U WY U S C S D S R S
Typowy układ zasilacza impulsowego z separacją transformatorową D 2 L U we T D 1 C R 0 U 0 Wzmacniacz błędu U ster ε - + U odn układ jest stosowany bardzo często (na przykład zasilacze komputerowe) wszystkie elementy sprzężenia zwrotnego mogą być zawarte w jednym układzie scalonym umieszczonym po stronie wtórnej (niskonapięciowej)
Układ scalony μa723 w konfiguracji stabilizatora impulsowego parametry układu ustępują rozwiązaniom dedykowanym nadaje się do zastosowania gdy szybko musimy zbudować stabilizator o stosunkowo dużej sprawności.
Układ scalony μa723 w konfiguracji stabilizatora impulsowego
Specjalizowany układ scalony (przykład) LT1109 a) Vin 3 250 k Ω R 1 Obudowa: TO39 Comparator 1,25V Reference A1 120 KHz Oscillator LT1109 Driver SW 2 T 1 1 Gnd b) 2 Cells 22µ H 2 SW LT1109 Out 1 Gnd 1 1N 5818 U O = 5V 100mA@ U = 3V 20 ma@ U I = 2 V 22µ F I
Specjalizowany układ scalony (przykład) MAX 848 a) OUT ON1 ON 2 REF GND CLK / SEL FB POKIN AINSEL AIN1 AIN 2 2, 25V + 1, 25V On REF Feedback and Power-Good Select RDY Feedback Start-Up Oscillator EN EN 3000 khz Oscillator ADC Q EN D EN OSC PFM / PWM Mode Q Q PFM/PWM Controller PCH 0, 25Ω NCH 0, 13Ω NLH MAX848 MAX849 POUT LX PGND POK DATA b) Input 0,8 5,5V A/D Channel 1 IN A/D Channel 2 IN A/D Channel Select A/D Output ON/OFF Control SYNC Input MAX 848 MAX 849 AIN1 AIN 2 AINSEL DATA ON1 ON 2 CLK / SEL POKIN LX OUT POUT POK FB REF GND PGND Output 3,3 V@200 ma (MAX849) 3,3 V@100 ma (MAX848) Voltage Monitor Output
Typ Producent Rodzaj konwertera DC-DC [V] w wersjach (x) [V] Max. prąd obciążenia [A] Max. prąd klucza Częstotl. kluczow. [khz] Zakres temp. C Obudowa LM2574-x National step-down 40 3,3; 5; 12; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2575-x National step-down 45 U3,3; IN max 5; 12; 15; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2576 National step-down 45 3,3; 5; 12; 15; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2577 National step-up 3,5 40 Reg. max. 65 Semicod. LM2588 National flyback 4 40 3,3; 5; 12; Reg. Semicod. MAX630 Maxim step-up 2 18,5 18 MAX1771 Maxim step-up 2 16,5 12; Reg. MAX738 Maxim step-down 6 16 4,75 5,25 U O =0,5 52 40 + 85 DIP 8, SOIC 14 =1 52 40 + 85 TO220-5 I O =3 52 40 + 314D, 936A 125 =3 52 40 + TO220, TO263 125 I SW =5 100...200 40 + TO220, TO263 I O 125 =0,15 40 40 + 85 DIP 8 I O =2 300 0 + 70 DIP 8 I O =0,75 165 0 + 70 DIP 8 MAX848 Maxim step-down 0,7 5, 3,3; Reg. 2,7 =0,8I 300 40 + 85 16 Narrow SO 5 5,5 SW LT1074 Lin. step-down 7,3 40 Reg. 2,5 30 =5I - - TO220-5 Techn. SW L4962A ST- uniwersalny 50 5,1 40 =1,5 I 150 - DIL 16 Microel. SW L4970A ST- uniwersalny 50 5,1 40 =10I O 500 - MULTIWATT15 Microel. IRIS4007 Internatina uniwersalny 35 I O = 200 =4-20 + TO220-5, TO262-5 l Rectifier I O 125 IRIS4015 Int. Rectif. uniwersalny 35 = 650 =8-20 + TO220-5 125 I O I O