Spínané zdroje

Spínané zdroje jsou moderní náhradou síťových zdrojů s běžným transformátorem. Začaly se objevovat až s příchodem výkonných spínacích tranzistorů většinou typu MOSFET. Dnes pro spínané zdroje existují specializované integrované obvody, např. obvody TOP Switch, které v sobě zahrnují veškeré řízení spínaného zdroje.

Rozdíl mezi spínaným a lineárním zdrojem (klasickým, se spojitou regulací) je hlavně ve způsobu používání výkonového regulačního členu. Ve spínaných zdrojích je výkonový člen zatěžován impulsně. Je střídavě spínán a rozpínán. Využívají se výhody impulsního režimu daného prvku. V impulsním režimu může být odebíraný impulsní výkon podstatně větší, než jaký je možné odebírat v lineárním režimu s použitím stejného výkonového prvku.

Druhy spínaných zdrojů

Spínané zdroje se rozdělují zejména podle kmitočtu:

• s kmitočtem sítě

  • bez transformátoru
  • s transformátorem
    • pulsní regulace v primární části
    • pulsní regulace v sekundární části

• s kmitočtem vyšším než síťovým

  • jednočinný blokující měnič
    • měnič s jedním spínačem
    • měnič se dvěma spínači
  • jednočinný propustný měnič
    • měnič s jedním spínačem
    • měnič se dvěma spínači
  • dvoučinné měniče
    • protitaktní
    • dvojčinný se čtyřmi spínači
    • dvojčinný s kapacitními děliči
  • dvojitý propustný měnič

                 

Stabilizátory s pracovním kmitočtem sítě jsou starší. Jejich konstrukci umožnily tyristory a triaky. S těmito zdroji nelze dosáhnout velké přesnosti stabilizace. Jsou těžší a objemnější, ale podstatně levnější. Jejich použití není omezeno přenášeným výkonem. Vyhovují pro méně náročné aplikace, kde nepotřebujeme extrémní stabilitu, přesnost a kde nejsou kladeny požadavky na zvlnění výstupního napětí.

Spínané zdroje s vyšším pracovním kmitočtem se označují také jako impulsní. Využívají impulsní regulaci. Výstupní napětí Us je stabilizováno zásahy regulačního členu pouze v určitých časově omezených intervalech Ta. Impulsní regulace umožňuje výrazně redukovat výkonovou ztrátu na regulačním členu. Regulační prvek, což je v tomto případě tranzistor, pracuje jako řízený spínač. Proud jím prochází pouze po určitý interval pracovního cyklu. Jelikož se tranzistor vždy maximálně otevře a pak úplně zavře, je výkonová ztráta podstatně menší, než u lineárního regulátoru.

Spínané zdroje s transformátorem s pracovním kmitočtem sítě

Následující obrázek znázorňuje blokové schéma:

Obr. 1: Blokové schéma spínaného zdroje s kmitočtem sítě

Činnost spínaného zdroje s kmitočtem sítě

Použitím tohoto typu regulátoru zlepšíme využití transformátoru. Ovlivníme tím jeho rozměry, hmotnost a také zlepšíme účinnost oproti klasickému zdroji. Jako spínač je zde použit triak, který je fázově řízený. Spotřebič je transformátor, který má na sekundární straně usměrňovač pracující do filtru LC. Výstupní napětí je přes dělič přivedeno na diodu optočlenu, která ovládá fototranzistor. Ten ovládá vstup obvodu pro fázové řízení triaku.

Pokud je výstupní napětí menší než požadované, prochází diodou menší proud a fototranzistor se přivře. Na vstupu obvodu pro řízení je nižší napětí. To má za následek, že spouštěcí impulsy pro triak se přenesou do oblasti vyšší střední hodnoty napětí přiváděného do transformátoru a napětí na výstupním filtračním kondenzátoru se zvýší.

Pokud je výstupní napětí vyšší, děj je opačný.

Spínané zdroje s vyšším pracovním kmitočtem

Následující obrázek znázorňuje blokové schéma spínaného zdroje s regulací na primární straně impulsního transformátoru:

Obr. 2: Blokové schéma spínaného zdroje s vyšším pracovním kmitočtem

Činnost spínaného zdroje s vyšším pracovním kmitočtem:

V zapojení je odstraněn transformátor v klasické formě. Sníží se tím požadavky na mezní kolektorový proud spínacího tranzistoru, zmenší se rozměry a hmotnost. Pracuje se impulsně s vysokým kmitočtem spínání tranzistoru (ultrazvuková oblast). V síťovém přívodu je zařazen širokopásmový odrušovací filtr. Ten zabraňuje pronikání rušivých signálů ze zdroje do sítě. Napětí přicházející z rozvodné sítě 230V/50Hz se nejdříve usměrní pomocí diodového můstku a vyhladí na vstupním kondenzátoru. Pak se napětí „rozstřídá“ pomocí spínacích tranzistorů na frekvenci řádově desítek kHz. Toto napětí je přivedeno na primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru. Ze sekundární strany je napětí opět usměrněno, vyhlazeno, a tím je připraveno k použití. O stabilitu výstupního napětí se stará zpětná vazba, která je z výstupu zavedena do obvodu, který řídí spínání.

Za spínačem je obdélníkové napětí o frekvenci desítek kHz a amplitudě podle vztahu:

Toto napětí je transformováno impulsním transformátorem s feritovým jádrem na potřebnou velikost, transformované napětí se usměrňuje Schottkyho diodami a dále je filtrováno výstupním filtrem. Zdroj zpětné vazby je stejný jako u lineárních zdrojů, navíc je zde obvod buzený spínačem, který mění stejnosměrné napětí na obdélníkové napětí. Pokud bychom nepoužili v zapojení vstupní část, vzniklo by zapojení stejnosměrného měniče.

• Výhoda

Výhodou spínaných zdrojů je jejich malá velikost, zejména velikost transformátoru, který má ve srovnání se síťovým transformátorem shodného výkonu mnohem menší rozměry. Např. zdroj v PC o výkonu 350W váží cca 0,5kg.

• Nevýhoda

Nevýhodou může být rušení, které vzniká při spínání výkonových tranzistorů. Toto rušení může vadit v audiotechnice, kde by se mohlo projevit nepříjemným pískotem nebo ve VF technice, kde by mohlo docházet k modulaci spínacího kmitočtu. Dá se částečně odfiltrovat, ale zpravidla nedosáhneme kvality zdroje lineárního.

Zdroje

• BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_07_ Spínané napájecí zdroje . Přerov, 2013.

Obrázky

• Obr. 1: BRINDL, Pavel. Blokové schéma spínaného zdroje s kmitočtem sítě. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_07_ Spínané napájecí zdroje . Přerov, 2013.
• Obr. 2: BRINDL, Pavel. Blokové schéma spínaného zdroje s vyšším pracovním kmitočtem. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_07_ Spínané napájecí zdroje . Přerov, 2013.