9. Spínané napájecí zdroje, měniče, střídače

  • Blokové schéma spínacích zdrojů, princip činnosti
  • Rozdělení měničů
  • Pulzní měničů
  • Pulzní střídače, základní můstkové zapojení

1. Blokové schéma a princip činnosti spínaných zdrojů (SMPS)

  • Spínaný zdroj (Switched-Mode Power Supply) nepracuje v lineárním režimu, ale využívá tranzistory jako rychlé spínače (zcela sepnuto nebo zcela vypnuto). Tím se minimalizují tepelné ztráty na regulačním prvku.

center

Blokové schéma spínaného zdroje
  1. Usměrňovač: Mění střídavé síťové napětí na stejnosměrné.
  2. Vstupní filtr a usměrňovač: Odrušuje VF rušení.
  3. Spínací prvek (Střídač/Měnič): Výkonový tranzistor (MOSFET nebo IGBT), který rozseká stejnosměrné napětí na vysokofrekvenční pulzy (desítky až stovky kHz).
  4. Vysokofrekvenční transformátor: Zajišťuje galvanické oddělení a transformaci napětí. Díky vysokému kmitočtu může být jádro velmi malé (feritové).
  5. Výstupní usměrňovač a filtr: Schottkyho diody (kvůli vysoké frekvenci) a LC filtr, které vyhladí pulzy zpět na stabilní stejnosměrné napětí.
  6. Zpětná vazba a řídicí obvod: Optočlen přenáší informaci o výstupním napětí do řídicího obvodu (PWM – pulzně šířková modulace), který upravuje dobu sepnutí tranzistoru tak, aby výstup zůstal konstantní.

2. Rozdělení měničů

  • Měniče dělíme podle toho, jakou transformaci provádějí mezi vstupem a výstupem:

    • AC/DC (Usměrňovače): Přeměna střídavého napětí na stejnosměrné.

    • DC/DC (Pulzní měniče): Změna úrovně stejnosměrného napětí (např. z 12 V na 5 V).

    • DC/AC (Střídače/Invertory): Přeměna stejnosměrného napětí na střídavé (např. z baterie 12 V na 230 V AC).

    • AC/AC (Měniče kmitočtu): Změna parametrů střídavého proudu (velikost napětí, frekvence).

    • Podle galvanického oddělení:

      1. Neizolované: Vstup a výstup mají společnou zem (Buck, Boost).
      2. Izolované: Vstup a výstup jsou odděleny transformátorem (Flyback, Forward, Push-pull).

3. Pulzní měniče (DC/DC)

 - Pulzní měniče jsou základní součástí spínaných zdrojů. Pracují na principu rychlého spínání výkonového prvku (tranzistoru) a řízení energie pomocí PWM - mění velikost DC napětí.

  • Rozdělení:

    • Step-down (buck) – snižuje napětí
    • Step-up (boost) – zvyšuje napětí
    • Buck-boost – může zvyšovat i snižovat
    • SEPIC, Cuk – speciální topologie s lepšími vlastnostmi

  • Využití:

    • Spínané zdroje (nabíječky, adaptéry, PC zdroje)
    • LED drivery
    • Solární měniče

  • 3.1 Step-down (buck) měnič

    • Dokud je spínač sepnut, prochází proud cívkou do zátěže, cívka akumuluje energii, kondenzátor se nabíjí. Jakmile se spínač vypne, cívka naakumulovanou energii předává a udržuje proud zátěží, obvod se uzavírá přes diodu, kondenzátor se vybíjí. center
    Schéma a signály buck měniče

  • 3.2 Step-up (boost) měnič

    • Dokud je spínač (spínací tranzistor) sepnut, prochází proud cívkou a cívka akumuluje energii. Jakmile se spínač vypne, energie akumulovaná v cívce působí jako další zdroj, jehož napětí se přičte k napětí zdroje a kondenzátor se přes diodu nabíjí na toto zvýšené napětí. Jakmile se spínač zase sepne, nabitý kondenzátor dál předává energii do zátěže, zatímco cívka znovu akumuluje energii ze zdroje. Dioda zamezuje vybíjení kondenzátoru při sepnutém spínači. center
    Schéma a signály boost měniče

  • 3.3 Řízení otáček motoru

    • Řídící obvod cyklicky zapíná a vypíná napájení motoru. Rekuperační dioda uzavírá obvod v době kdy je spínač vypnut a může tak protékat proud tvořený energií akumulovanou v indukčnostech motoru. center
    Schéma a signály příkladu řízení otáček motoru

4. Pulzní střídače a základní můstkové zapojení (DC/AC)

  • Střídače slouží k vytvoření střídavého průběhu ze stejnosměrného zdroje.
  • Nejčastěji se používají v záložních zdrojích (UPS), solárních elektrárnách nebo pro pohon asynchronních motorů. center
Schéma základního můstkového zapojení (H-můstek)
  • Princip činnosti:
    1. V první půlperiodě sepnou tranzistory S1 a S4 (proud teče zleva doprava).
    2. V druhé půlperiodě sepnou tranzistory S2 a S3 (proud teče zprava doleva).
    3. Tím se na zátěži (uprostřed můstku) vytvoří střídavý obdélníkový průběh.

Příchozí odkazy