Moderní měniče napětí (na rozdíl od zastaralých mechanických) jsou elektrická nebo elektronická zařízení, která umožňují získat požadované napětí na výstupu. Podle charakteru změny tohoto ukazatele se dělí na rostoucí a klesající. Kromě amplitudy napájecího napětí jsou tato zařízení schopna měnit jeho frekvenci. Takové konvertory se používají v různých oblastech lidské činnosti, včetně průmyslových a domácích oblastí.
Odrůdy převodních zařízení
Mezi známými druhy převáděcích zařízení vynikají následující:
- Transformátorové měniče napětí.
- Jejich elektronické protějšky fungující na principu pulzně šířkové modulace (PWM).
- Střídače a usměrňovače.
- Přepěťové ochrany.
Linkové transformátory
Měniče napětí založené na lineárních transformátorových obvodech jsou v té době jedním z nejběžnějších řešení. Princip jejich činnosti je založen na efektu indukce a možnosti přenosu energie společným e/m polem pro dvě cívky. Díky indukční vazbě vstupních a výstupních obvodů transformátoru je možné nastavit amplitudu provozního napětí v zátěži.
K tomu je počet závitů v sekundárním vinutí buď menší (snižující efekt) nebo větší než v primární cívce. Ve druhém případě je implementována možnost stupňovitého transformátoru. Provozní proudy v obou vinutích, stejně jako průřez vodičů vinutí, jsou vypočteny na základě stejného poměru závitů v každém z nich. Protože výkon v měničích tohoto typu je přenášen pouze s malými ztrátami (P1 se přibližně rovná P2), jsou proudy ve vinutích nepřímo úměrné napětím, která na ně působí.
Mezi výhody indukčních zařízení patří jednoduchost elektrického obvodu a také snadná údržba a opravy.
Lineární transformátory mají jednu významnou nevýhodu – kvůli konstrukčním vlastnostem vinutí a jádra se liší významnými rozměry a hmotností. Chcete-li se zbavit této nevýhody, umožňuje “pokročilejší” způsob přenosu energie do zátěže, nazývaný pulzně-šířková modulace.
PWM měniče napětí
U tohoto způsobu převodu napětí se používá technika jeho umělé redukce na pulzní formu, což značně zjednodušuje základní operace. K tomu je do obvodu zaveden další signál ve formě nosiče, představovaného “trojúhelníkem” nebo “pilou”. Přivádí se na invertující vstup komparátoru, zatímco modulovaná úroveň působí na přímý.
V okamžicích, kdy nosná hodnota překročí amplitudu užitečného signálu, se na výstupu komparátoru objeví elektrická „nula“. Pokud je jeho hodnota menší než hodnota modulované úrovně, vytvoří se na výstupu záporná „jedna“. Přijatý impulsní signál je zprůměrován.
Použití metody PWM poskytuje následující výhody:
- Vysoce účinné spínané zdroje (UPS).
- PWM měniče napětí jsou ekonomické díky nízké úrovni tepelných ztrát ve srovnání s lineárními transformátory.
- UPS jsou menší a lehčí.
Poznamenáváme také, že spolehlivost těchto zařízení se znatelně zvyšuje a životnost se zvyšuje. Mezi jejich nevýhody patří silný impulsní šum generovaný zařízením v blízkosti jeho umístění.
invertorové měniče
Střídač je elektronický modul, který umožňuje získat střídavý proud z původního stejnosměrného napětí. Podle účelu jsou tato zařízení rozdělena do následujících typů:
- Stacionární měniče napětí.
- Mobilní instalace zajišťující napájení velkých stavenišť.
- Automobilové měniče.
První z těchto zařízení se používají v podmínkách, kdy v místě práce s domácími spotřebiči nebo jiným zařízením není zásuvka z elektrického vedení.
Automobilové měniče se rozšířily až v posledních letech. Poptávka po nich je vysvětlena přáním majitelů automobilů používat v kabině zařízení určená pro střídavé napětí 220 V.
Princip činnosti invertorových zařízení
Činnost měniče lze popsat následujícím sledem elektronických operací:
- Stejnosměrné napětí ze zdroje je přiváděno do zpracovatelského modulu, kde je spínáno s určitou frekvencí pomocí vestavěného regulátoru.
- Na výstupu spínače se tvoří obdélníkové impulsy požadované amplitudy, které pak přicházejí do filtrační jednotky.
- Po zpracování mají podobu klasické sinusoidy s amplitudou 220 V.
Frekvence spínání ve spínači je nastavena řídicími signály přicházejícími z regulátoru. Řídicí modul kromě regulace napětí synchronizuje spínací frekvenci výstupních spínačů spínače a také zajišťuje ochranu převodníku před přetížením a zkratem.
Usměrňovací zařízení
Měniče napětí, určené pro usměrňování střídavého napětí, jsou vyrobeny na jednostranných vodivých prvcích (polovodičové diody). V závislosti na použitém schématu mají tato zařízení následující verze:
- Půlvlna.
- Plná vlna.
- Mostové obvody.
- Usměrňovače pro zdvojení napětí.
První z těchto schémat se používá extrémně zřídka, což se vysvětluje nízkou kvalitou usměrněného napětí (významné zkreslení sinusoidy). Usměrnění “push-pull” se používá k provozu stejnosměrných motorů. Je vhodný pro většinu elektrických strojů vybavených kartáčovými sestavami.
Můstkové obvody jsou uzavřeným řetězcem 4 usměrňovacích diod. Na jednu z úhlopříček je přiváděno střídavé napětí a na druhou je připojena zátěž, kterou prochází pulsující proud. Pro vyrovnání signálu na výstupu můstkového obvodu se zapne filtrační prvek (vysokokapacitní elektrolytický kondenzátor).
Odrůdy klasického usměrňovače zahrnují obvody, které umožňují zvýšit amplitudu na výstupu. Typickým příkladem takového řešení jsou usměrňovače pro zdvojení napětí, kterým se říká „násobiče“.
Přepěťové ochrany
Do této kategorie patří zařízení, která udržují výstupní parametry na dané úrovni s nestabilním vstupním napětím. Zaručují kvalitní napájení všech zařízení připojených na výstup (včetně domácích spotřebičů určených pro síť 220 V).
Podle typu stabilizovaného napětí se tato zařízení dělí na dva typy. První jsou instalovány ve stejnosměrných obvodech, zatímco druhé se používají v energetických sítích 220/380 V.
Podle způsobu převodu se stejnosměrné stabilizátory dělí na pulzní a lineární. Podle způsobu zapojení do obsluhované sítě mají tato zařízení také dvě verze: paralelní nebo sériový typ.
Beztransformátorové měniče napětí
Kromě způsobu převodu napětí se liší přítomností speciální jednotky vinutí v nich – transformátoru. Většina dříve diskutovaných zařízení jej obsahuje ve svém složení. Existuje však speciální třída zařízení, ve kterých se vinuté transformátory vůbec nepoužívají.
Jsou chápány jako nejjednodušší měniče napětí s usměrňovacím můstkem a stabilizátorem. Obsahují ve svém obvodu děliče postavené na rezistorech nebo kondenzátorech (R1 a C1). Tato zařízení jsou určena k převodu 220 V proměnných na nižší napětí s následným jeho usměrněním pro napájení např. LED girland. Jednou z odrůd takových děličů napětí je obvod s předřadným kondenzátorem.
Pokud je nutné snížit úroveň stejnosměrného napětí, používají se stabilizátory lineárního typu postavené na integrálních prvcích typu (KREN).
Mezi výhody beztransformátorových převodníků konstruovaných jako standardní adaptéry patří:
- Schopnost obejít se bez masivní a pracné výroby transformátorů.
- Ziskovost převodních zařízení, vysvětlená nízkou cenou komponent.
- Snížení velikosti a hmotnosti zařízení, která implementují tento způsob převodu napětí.
Mezi nevýhody beztransformátorových obvodů patří chybějící galvanické oddělení primárních a sekundárních obvodů a také nemožnost jejich použití při vysokých výkonech.
U takových zařízení se v případě poškození jednotlivých prvků do výstupních obvodů dostávají proměnné 220 V přes galvanickou vazbu. To může vést k vysokonapěťovému šoku uživatele se všemi z toho vyplývajícími důsledky. V situaci, kdy je vyžadována významná přeměna výkonu, budou rozměry použitých součástek (zejména induktorů) příliš velké. To zbavuje beztransformátorové měniče jednu z hlavních výhod.
Pro napájení různých elektronických zařízení se široce používá DC DC měnič. Používá se v zařízeních výpočetní techniky, komunikačních zařízeních, různých řídicích schématech, automatizaci atd.
Napájení obvodů pomocí transformátorových zdrojů
U tradičních transformátorových zdrojů se síťové napětí převádí pomocí transformátoru, nejčastěji sníženého, na požadovanou hodnotu. Nízké napětí je usměrněno diodovým můstkem a vyhlazeno kondenzátorovým filtrem. V případě potřeby se za usměrňovač umístí polovodičový stabilizátor.
Transformátorové zdroje jsou obvykle vybaveny lineárními stabilizátory. Takové stabilizátory mají alespoň dvě výhody: jedná se o nízkou cenu a malý počet dílů v postroji. Tyto výhody jsou však pohlceny nízkou účinností, protože značná část vstupního napětí se používá k ohřevu řídicího tranzistoru, což je pro napájení přenosných elektronických zařízení zcela nepřijatelné.
Napájení obvodů pomocí DC DC měničů
Pokud je zařízení napájeno galvanickými články nebo bateriemi, je převod napětí na požadovanou úroveň možný pouze pomocí DC DC měničů.
Myšlenka je poměrně jednoduchá: stejnosměrné napětí se převádí na střídavé, obvykle s frekvencí několika desítek nebo dokonce stovek kilohertzů, stoupá (klesá) a poté je usměrněno a přiváděno do zátěže. Takové převodníky se často označují jako pulzní převodníky.
Příkladem je boost konvertor 1,5V na 5V (výstupní napětí USB počítače).
DC DC měnič 1,5V/5V
Pulzní měniče jsou dobré, protože mají vysokou účinnost, v rozmezí 60..90%. Další výhodou pulzních měničů je široký rozsah vstupních napětí: vstupní napětí může být nižší než výstupní napětí nebo mnohem vyšší.
Klasifikace stejnosměrných stejnosměrných měničů
Obecně lze DC DC měniče rozdělit do několika skupin.
Lowering, v anglické terminologii step-down nebo buck
Výstupní napětí těchto převodníků je zpravidla nižší než vstupní napětí: bez jakýchkoli zvláštních ztrát pro zahřívání řídicího tranzistoru můžete získat napětí pouze několika voltů při vstupním napětí 12 . 50 V. Výstupní proud takových převodníků závisí na požadavku na zatížení, který zase určuje obvod převodníku.
Další anglický název pro převodník chopper buck. Jednou z variant překladu tohoto slova je lamač. V odborné literatuře je konvertor babky někdy označován jako „chopper“. Zatím si jen zapamatujte tento termín.
Zvyšování, v anglické terminologii step-up nebo boost
Výstupní napětí těchto měničů je vyšší než vstupní napětí. Například při vstupním napětí 5 V lze na výstupu získat napětí až 30 V a je možná jeho plynulá regulace a stabilizace. Poměrně často se boost konvertory nazývají boostery.
Univerzální DC DC měnič – SEPIC
Výstupní napětí těchto měničů je udržováno na dané úrovni, když je vstupní napětí vyšší nebo nižší než vstupní napětí. Doporučuje se v případech, kdy se vstupní napětí může výrazně lišit. Například v autě se může napětí baterie pohybovat mezi 9 . 14 V a je vyžadováno stabilní napětí 12 V.
Inverting DC DC Converter – invertující převodník
Hlavní funkcí těchto převodníků je získat na výstupu napětí s obrácenou polaritou vzhledem ke zdroji energie. Je to velmi výhodné v případech, kdy je vyžadováno bipolární napájení, například pro napájení operačních zesilovačů (op-amp).
Všechny uvedené měniče mohou být stabilizované nebo nestabilizované, výstupní napětí může být galvanicky spojeno se vstupním napětím nebo mít galvanické napěťové oddělení. Vše závisí na konkrétním zařízení, ve kterém bude převodník použit.
Chcete-li přejít k dalšímu příběhu o DC DC měničích, měli byste alespoň porozumět teorii obecně.
Step Down DC DC převodník – převodník typu Buck
Jeho funkční schéma je znázorněno na obrázku níže. Šipky na vodičích ukazují směr proudů.
Funkční schéma stabilizátoru chopperu
Vstupní napětí U in je přivedeno na vstupní filtr – kondenzátor C in. Jako klíčový prvek je použit tranzistor VT, který provádí spínání vysokofrekvenčního proudu. Může to být MOSFET, IGBT nebo konvenční bipolární tranzistor. Kromě těchto detailů obvod obsahuje vybíjecí diodu VD a výstupní filtr – LC out, ze kterého je přiváděno napětí do zátěže R n.
Je snadné vidět, že zátěž je zapojena do série s prvky VT a L. Proto je obvod sekvenční.
Jak dochází k poklesu napětí?
Pulse Width Modulation – PWM
Řídicí obvod generuje obdélníkové impulsy s konstantní frekvencí nebo konstantní periodou, což je v podstatě totéž. Tyto impulsy jsou znázorněny na obrázku níže.
Řídící impulsy
Zde t je doba impulsu, tranzistor je otevřen, tp je doba pauzy, tranzistor je uzavřen. Poměr ti/T se nazývá pracovní cyklus pracovního cyklu, označuje se písmenem D a vyjadřuje se v %% nebo jednoduše v číslech. Například, když se D rovná 50 %, ukáže se, že D=0,5.
D se tedy může měnit od 0 do 1. Při hodnotě D=1 je klíčový tranzistor ve stavu plného vedení a při D=0 ve stavu cutoff, jednoduše řečeno, je uzavřen. Je snadné odhadnout, že při D=50% se výstupní napětí bude rovnat polovině vstupního napětí.
Je zcela zřejmé, že k regulaci výstupního napětí dochází změnou šířky řídicího impulsu tand, ve skutečnosti změnou koeficientu D. Tento princip regulace se nazývá PWM pulzně-šířková modulace (PWM). Téměř u všech spínaných zdrojů je právě pomocí PWM stabilizováno výstupní napětí.
Obecně jsou měniče tak široce používané, že výrobci elektronických součástek zahájili výrobu PWM regulátorů pro všechny příležitosti. Rozsah je tak velký, že jen jejich vyjmenování by zabralo celou knihu. Proto nikoho nenapadne montovat měniče na diskrétní prvky, nebo jak se často říká „volně“.
Kromě toho lze hotové malé měniče energie zakoupit na Aliexpress nebo Ebay za nízkou cenu. Přitom pro instalaci v amatérském provedení stačí připájet vodiče na vstup a výstup na desku a nastavit požadované výstupní napětí.
Nyní zpět k našemu převodníku typu Buck, celý obvod je zobrazen výše.
V tomto případě koeficient D určuje, jak dlouho bude klíčový tranzistor otevřený (fáze 1) nebo uzavřený (fáze 2). Pro tyto dvě fáze může být obvod znázorněn dvěma obrázky. Obrázky NEZOBRAZUJÍ prvky, které nejsou v této fázi použity.
Fáze 1
Když je tranzistor otevřený, proud ze zdroje energie (galvanický článek, baterie, usměrňovač) prochází indukční tlumivkou L, zátěží Rn a nabíjecím kondenzátorem Cout. V tomto případě protéká proud zátěží, kondenzátor Cout a induktor L akumulují energii. Proud iL POSTUPNĚ ZVYŠUJE vlivem indukčnosti tlumivky. Tato fáze se nazývá pumpování.
Poté, co napětí na zátěži dosáhne zadané hodnoty (určené nastavením řídicího zařízení), sepne tranzistor VT a zařízení přejde do druhé fáze – fáze vybíjení. Uzavřený tranzistor není na obrázku vůbec znázorněn, jako by neexistoval. To ale znamená pouze to, že tranzistor je uzavřený.
Fáze 2
Když je tranzistor VT uzavřen, nedochází k doplňování energie v induktoru, protože je odpojeno napájení. Indukčnost L má tendenci bránit změně velikosti a směru proudu (samoindukce) protékajícího vinutím induktoru.
Proud se proto nemůže okamžitě zastavit a uzavře se obvodem „diodové zátěže“. Kvůli tomu se VD dioda nazývala vybíjecí dioda. Zpravidla se jedná o vysokorychlostní Schottkyho diodu. Po regulační periodě, fáze 2, se obvod přepne do fáze 1, proces se znovu opakuje. Maximální napětí na výstupu uvažovaného obvodu se může rovnat vstupu a ne více. Boost konvertory se používají k získání výstupního napětí vyššího než vstupní napětí.
Je třeba poznamenat, že ve skutečnosti není vše tak jednoduché, jak je psáno výše: předpokládá se, že všechny komponenty jsou ideální, tzn. zapnutí a vypnutí probíhá bez zpoždění a aktivní odpor je nulový. Při praktické výrobě takových obvodů je třeba vzít v úvahu mnoho nuancí, protože hodně závisí na kvalitě použitých komponentů a parazitní kapacitě instalace. Pouze o tak jednoduchém detailu, jako je tlumivka (no, prostě cívka drátu!) můžete napsat více než jeden článek.
Prozatím je potřeba pouze vyvolat skutečnou hodnotu indukčnosti, která určuje dva provozní režimy chopperu. Při nedostatečné indukčnosti bude měnič pracovat v režimu nespojitých proudů, což je pro napájecí zdroje zcela nepřijatelné.
Pokud je indukčnost dostatečně velká, pak provoz probíhá v režimu trvalého proudu, což umožňuje pomocí výstupních filtrů získat konstantní napětí s přijatelnou úrovní zvlnění. Boost měniče pracují také v režimu trvalého proudu, o kterém bude řeč níže.
Pro určité zvýšení účinnosti je vybíjecí dioda VD nahrazena tranzistorem MOSFET, který je ve správnou chvíli otevřen řídicím obvodem. Takové převodníky se nazývají synchronní. Jejich použití je oprávněné, pokud je výkon měniče dostatečně velký.
Boost DC DC Converter – převodník typu boost
Zvyšovací měniče se používají hlavně pro nízkonapěťové napájení, například ze dvou nebo tří baterií, a některé součásti konstrukce vyžadují napětí 12 . 15 V s malým odběrem proudu. Poměrně často se boost konvertor stručně a jasně nazývá slovem “booster”.
Funkční schéma zesilovacího měniče
Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr Cin a přivedeno na sériově zapojenou tlumivku L a spínací tranzistor VT. V místě připojení cívky a kolektoru tranzistoru je připojena VD dioda. Na druhý výstup diody je připojena zátěž Rn a bočníkový kondenzátor C out.
Tranzistor VT je řízen řídicím obvodem, který generuje stabilní řídicí signál frekvence s nastavitelným pracovním cyklem D, jak je popsáno o něco dříve v popisu obvodu chopperu. Dioda VD ve správný čas blokuje zátěž z klíčového tranzistoru.
Když je klíčový tranzistor otevřený, výstup cívky L, přesně podle schématu, je připojen k zápornému pólu zdroje U in. Cívkou a otevřeným tranzistorem protéká rostoucí proud (ovlivňuje vliv indukčnosti) ze zdroje, v cívce se hromadí energie.
V tomto okamžiku VD dioda blokuje zátěž a výstupní kondenzátor ze spínacího obvodu, čímž zabraňuje vybití výstupního kondenzátoru přes otevřený tranzistor. Zátěž je v tomto okamžiku napájena energií uloženou v kondenzátoru C out. Napětí na výstupním kondenzátoru přirozeně klesá.
Jakmile výstupní napětí mírně klesne pod specifikované (určeno nastavením řídicího obvodu), klíčový tranzistor VT se uzavře a energie uložená v induktoru dobíjí kondenzátor C ven přes diodu VD, která napájí zatížení. V tomto případě se samoindukční EMF cívky L přičte ke vstupnímu napětí a přenese na zátěž, proto je výstupní napětí větší než vstupní napětí.
Když výstupní napětí dosáhne nastavené stabilizační úrovně, řídicí obvod otevře tranzistor VT a proces se opakuje od fáze akumulace energie.
Univerzální DC DC měnič – SEPIC
SEPIC (single-ended primary-inductor convertor) nebo měnič s asymetricky zatíženým primárním induktorem.
Takové převodníky se používají hlavně tehdy, když má zátěž malý výkon a vstupní napětí se mění vzhledem k výstupnímu napětí nahoru nebo dolů.
Funkční schéma převodníku SEPIC
Je velmi podobný obvodu zesilovacího měniče znázorněnému na předchozím obrázku, ale má další prvky: kondenzátor C1 a cívku L2. Právě tyto prvky zajišťují provoz měniče v režimu snižování napětí.
Převodníky SEPIC se používají v případech, kdy se vstupní napětí mění v širokém rozsahu. Příkladem je regulátor 4V-35V na 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down. Právě pod tímto názvem se v čínských obchodech prodává převodník, jehož obvod je znázorněn na obrázku níže.
Schematické schéma převodníku SEPIC
Níže je pohled na desku s označením hlavních prvků.
Vzhled převodníku SEPIC
Měli byste věnovat pozornost přítomnosti dvou cívek L1 L2. Podle tohoto znaku můžete určit, že se jedná o převodník SEPIC.
Vstupní napětí desky může být v rozsahu 4…35 V. V tomto případě lze výstupní napětí upravit v rozsahu 1,23…32 V. Pracovní frekvence převodníku je 500 kHz. S malými rozměry 50 x 25 x 12 mm poskytuje deska výkon až 25 wattů. Maximální výstupní proud až 3 A.
Zde je však třeba učinit poznámku. Pokud je výstupní napětí nastaveno na 10 V, pak výstupní proud nesmí překročit 2,5 A (25 W). S výstupním napětím 5 V a maximálním proudem 3 A bude výkon pouze 15 wattů. Hlavní věcí zde není přehánět: buď nepřekračujte maximální přípustný výkon, nebo nepřekračujte přípustný proud.
