Princíp spínaného zdroja

Ostatné témy, ktoré nepasujú vyššie
Post Reply
Message
Author
ellvis
Posts: 61
Joined: Sun Oct 06, 2013 10:57 pm

Princíp spínaného zdroja

#1 Post by ellvis » Mon Dec 11, 2017 10:42 pm

Čavte,

náhodou som sa primotal k debate ohladne elektrických zdrojov a prišiel som na to, že vlastne neviem ako funguje spínaný zdroj. Vedel by mi to niekto stručne vysvetliť? Princíp klasického zdroja mi je jasný, tam sa orientujem dobre.

Dík!

e.

z00m
Site Admin
Posts: 140
Joined: Sun Oct 06, 2013 9:45 pm
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#2 Post by z00m » Tue Dec 12, 2017 3:32 pm

Vstupné striedavé napätie sa cez nejaký filtračný a ochranný člen privedie na usmerňovače, kde sa usmerní na jednosmerné, spravidla nejakej vyššej hodnoty. Cez ďalšie členy (napr. PFC) sa privedie na spínacie tranzistory, kde sa opäť rozkmitá na frekvencii niekoľko (desiatok) kHz. Tu už má tvar obdĺžnika a takto spracované sa privádza na primár transformátora. Zo sekundáru odoberáš príslušné napätie, ktoré je hnané do výstupných usmerňovačov a filtrov, z nich potom už odoberáš výstup. Celé to sleduje PWM člen, ktorý sa stará aby zdroj dodával dostatok šťavy do záťaže a ovláda spínacie tranzistory podľa potreby (prázdnymi cyklami). Sú tam ešte všelijaké ochrany, ktoré sledujú všetko možné, aby to nešlo celé do kytek :-)

Výhoda je zjavná - tým, že to beží v impulznom režime, dokážeš dodať viac šťavy pri menších rozmeroch zdroja. Nevýhoda je tiež zjavná - zložitejšie zapojenie oproti klasickým zdrojom.

Busy
Posts: 312
Joined: Mon Nov 25, 2013 9:11 pm
Location: Bratislava
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#3 Post by Busy » Fri Dec 15, 2017 2:39 pm

Len upresnim - cele tajomstvo nizkej vahy pulznych zdrojov tkvie v pouziti vyssej frekvencie. Skusim to vysvetlit tak polopatisticky. Transformator je suciastka, ktora na jednej strane do seba dokaze nasat nejake kvantum energie urcitej velkosti, premenit ho na magneticke pole, a nasledne na druhej strane zase tuto energiu vydat. Mnozstvo energie prenesenej na "jeden zatah" je obmedzene velkostou jadra transformatora - material jadra mozno magnetizovat len do urcitej intenzity, viac to proste neda.

Pri beznych neimpulznych sietovych trafakovych adapteroch sa toto kvantum energie do trafaku pumpuje 100x za sekundu (lebo 50 Hz a dve polvlny v periode). Takze maximalny vykon ktory trafak vie preniest, je dany 100 tychto kvant energie za sekundu.

Pulzne zdroje na vstupe obsahuju usmernovac a menic na ovela vyssiu frekvenciu - obvykle sa voli nad 20 kHz aby nevznikali neprijemne hukoty a piskoty a nasledne tlaci vhodne kvanta energie do trafaku s tutou velmi vysokou frekvenciou. Trafak tymto sposobom dokaze realne prenasat vykon cca rovny 20000+ krat dane kvantum energie - co je oooooovela viac nez v pripade klasickych 50 Hz. Vdkaka ovela vyssej vykonovej "priepustnosti" trafaku je mozne pouzit ooooooooooovela mensie trafaky - castokrat nie vecsie ako ostatne suciastky na plosaku (tranzistory, kondenzatory...).

mikezt
Posts: 84
Joined: Sun Oct 06, 2013 10:47 pm

Re: Princíp spínaného zdroja

#4 Post by mikezt » Tue Dec 19, 2017 2:26 pm

A čo regulujú tie tranzistory? A čo merajú tie PWM členy? A prečo sú tam?

Busy
Posts: 312
Joined: Mon Nov 25, 2013 9:11 pm
Location: Bratislava
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#5 Post by Busy » Wed Dec 20, 2017 8:06 am

Pokial sa jedna o typ spinaneho zdroja so spetnou vezbou, tam ide len o to ze ked je vystup viac zatazeny a poklesne na nom napetie, pomocou spetnej vezby sa posle informacia na obvod ktory do primaru trafa zacne posielat vecsie kvanta energie, aby tak napetie na vystupe zase stuplo.

Celkom dobre obecne vysvetlenie principu cinnosti spinaneho zdroja je tu:
https://cs.wikipedia.org/wiki/Sp%C3%ADnan%C3%BD_zdroj

A tu je schema zapojenia jedneho konkretneho spinaneho zdroja:
spinany-zdroj.gif
Schema jednoducheho spinaneho zdroja
spinany-zdroj.gif (9.32 KiB) Viewed 144 times
Na vstupe 230V je klasicky mostikovy usmernovac a filtracny kondik, ktore vyrobia jednosmerne napetie cca 320V.

Nasleduje jednoduchy oscilator tvoreny tranzistorom a transformatorom - tranzistor sa otvori a do primarneho vinutia transformatora (2x27z) posle pulz. Na sekundari (4z) sa nasledkom toho indukuje podobny pulz, ktory je privedeny na bazu tranzistora a vdaka tomu tranzistor potom posle do primaru transformatora dalsi pulz - a takto stale dokola.

Transformator ma ale este jedno sekundarne vinutie (9z), z ktoreho napetie sa usmerni, vyfiltruje a ide na vystup.

Stabilizacna spetna vezba: Akonahle napetie na vystupe dosiahne pozadovanu hodnotu, LED dioda v optoclene zacne svietit, nasledkom toho sa fototranzistor v optoclene stane vodivy, ciastocne vyskratuje bazu tranzistora v oscilatore, takze oscilator bude kmitat menej. Tym padom pojde aj menej energie do sekundarneho vinutia (7z) a napetie na vystupe prestane rast.

Busy
Posts: 312
Joined: Mon Nov 25, 2013 9:11 pm
Location: Bratislava
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#6 Post by Busy » Thu Dec 21, 2017 9:45 am

A este pre uplnost popis principu pulznych DC-DC menicov (napr. ako nahrada za klasicke linearne stabilizatory).

Principialne zapojenie step-down menica (pre znizenie napetia):
Menic-step-down.png
Menic-step-down.png (19.77 KiB) Viewed 115 times
Vt nemusi byt len mosfet, moze to byt obecne akykolvek elektronicky spinac (bipolarny tranzistor, tyristor...).

Ako to funguje: Na zaciatku sa Vt zopne. Cez cievku L sa zacne nabijat kondenzator C.
Ked napetie na kondezatore stupne nad urcitu hranicu, Vt sa vypne.
A teraz prichadza ku slovu cievka. Cievky su ako dievky, ked ich stimulujete urcitym prudom, a stimulacia nahle prestane, su nespokojne a dozaduju sa pokracovania. Podobne tak cievka, ked jej zrazu vypnene napajaci zdroj, sa bude snazit prud cez nu prechadzajuci za kazdu cenu udrzat, aj keby traktory padali :)
Ked je vypnute Vt, kade potecie tento prud ? Prud zacne prechadzat cez diodu Vd a kondezator sa bude dalej nabijat, az pokym bude cievka vladat tento prud udrzat. Z fyzikalneho hladiska sa energia, naakumulovana v cievke, tymto v podstate "preleje" do kondenzatora a napetie na kondenzatore o kusok stupne.
Ale kedze z kondenzatora odoberame prud do pripojeneho spotrebica (na obrazku ho predstavuje odpor Rl), napetie na kondenzatore neskor aj tak zacne pomalicky klesat. Ked klesne pod urcitu hodnotu, Vt sa zapne, kondenzator sa znovu zacne nabijat cez cievku a cely proces sa opakuje.

Nuz a ulohou riadiaceho obvodu je zapinat a vypinat Vt tak, aby na vystupe bolo pozadovane napetie.

Klasicke linearne stabilizatory predstavuju akoze odporovy delic napetia - dolny odpor je pripojeny spotrebic, a horny odpor tvori obvykle nejaky vykonovy tranzistor a ten sa otvara presne tak, aby na vystupe tohto delica (teda na spotrebici) bolo pozadovane napetie. Pulzny DC-DC menic je v podstate tiez taky napetovy delic, tu je ale namiesto horneho odporu cievka (a spinaci prvok Vt ale na nom je ubytok zanedbatelny tak tu ten mozeme zanedbat). Cievka ma ale tu vlastnost, ze na rozdiel od odporu, energiu do nej vlozenu dokaze aj vratit nazad a tato vratena energia sa vyuzije na dalsie nabijanie kondenzatora (pri vypnutom Vt). Klasicky odpor vsetku energiu don vlozenu iba hlupo zmeni na teplo. A prave schopnost cievky vratit do nej vlozenu energiu je to tajomstvo velmi dobrej ucinnosti pulznych menicov (obvykle 80-90%) - pretoze nikde sa ziadna podstatna cast energie trvalo nestraca a (temer) vsetka napokon ide do spotrebica.

Busy
Posts: 312
Joined: Mon Nov 25, 2013 9:11 pm
Location: Bratislava
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#7 Post by Busy » Thu Dec 21, 2017 12:01 pm

A tu je konkretny priklad schemy velmi jednoducheho step-down menica:
Menic-step-down-schema.png
Menic-step-down-schema.png (157.04 KiB) Viewed 109 times
Zenerka D2 vytvara referencne napetie 5V. Ked napetie na vystupe klesne pod cca 4.5V, otvori sa tranzistor Q2, ktory nasledne otvori tranzistor Q1. Kondenzator C2 sa cez cievku L1 zacne nabijat, a ked jeho napetie stupne nad 4.5V, tranzistory sa uzavru, a energia, ktora sa pri nabijani kondenzatora naakumulovala v cievke, sa cez diodu D1 vybije do kondenzatora. Ked napetie na kondenzatore zase klesne pod cca 4.5V, otvori sa Q2 a cely proces sa dokola opakuje.

Busy
Posts: 312
Joined: Mon Nov 25, 2013 9:11 pm
Location: Bratislava
Contact:

Re: Princíp spínaného zdroja

#8 Post by Busy » Fri Dec 22, 2017 11:07 am

Principialne zapojenie pulzneho step-up menica na zvysenie napetia:
Menic-step-up-2.png
Menic-step-up-2.png (9.03 KiB) Viewed 101 times
Na zaciatku sa spinaci prvok S (tranzistor, tyristor...) zapne. Cievkou L zacne pretekat prud.
Potom sa spinac S vypne. Prud cievkou ale nemoze len tak zrazu prestat pretekat, preto dalej preteka cez diodu a nabija kondenzator. Ked uz cievka nevladze drzat prud nabijajuci kondenzator, spinac S sa znovu zapne, cievkou zase zacne pretekat potrebny prud, a cely proces sa dokola opakuje.

Pointa je v tom, ze cievka je v okamihu vypnutia spinaca S ochotna vyrobit akekolvek vysoke napetie, len aby udrzala dany prud ktory nou prave preteka. A my potom zakerne toto vysoke napetie zneuzijeme tak ze ho privedieme vyfiltrovane kondenzatorom na vystup.

Ucinnost takychto menicov byva podobna ako v step-down menicoch, pretoze aj tu plati princip ze nikde sa ziadna podstatna cast energie nestraca. Zdroj U je sice na kratky cas "skratovany" cievkou, ale cievka (temer) vsetku energiu, ktoru takto zo zdroja nacerpa, dokaze zase vratit formou vyssieho napetia do kondenzatora.

Post Reply