Pro běžného člověka, který se nezabývá elektronikou, byl přechod všech napájecích zařízení z lineárních na pulzní nepostřehnutelný. Právě pulzní napájecí zdroje (PPZ) jsou instalovány ve všech moderních zařízeních. Hlavním důvodem přechodu na tento typ měničů napětí je zmenšení jejich rozměrů. Protože elektronická zařízení od počátku svého vzniku a vynálezu vyžadují neustálé zmenšování svých rozměrů. Obrázek pro srovnání ukazuje rozměry konvenčního a pulzního stejnosměrného napájecího zdroje. Rozdíly ve rozměrech jsou viditelné pouhým okem.
Princip fungování SMPS a jeho konstrukce
Pulzní napájecí zdroj je zařízení, které pracuje na principu střídače, tj. nejprve převádí střídavé napětí na stejnosměrné napětí a poté znovu převádí stejnosměrné napětí na střídavé napětí požadované frekvence. Poslední stupeň převodníku je nakonec stále založen na usměrnění napětí, protože většina zařízení stále pracuje se sníženým stejnosměrným napětím. Podstata zmenšování rozměrů těchto výkonových a převodních zařízení je založena na činnosti transformátoru. Faktem je, že transformátor nemůže pracovat se stejnosměrným napětím. Jednoduše řečeno, na výstupu sekundárního vinutí se při přivedení stejnosměrného proudu na primární vinutí neindukuje EMF (elektromotorická síla). Aby se na sekundárním vinutí objevilo napětí, musí se změnit jeho směr nebo velikost. Střídavé napětí má tuto vlastnost, proud v něm mění svůj směr a velikost s frekvencí 50 Hz. Aby se však zmenšily rozměry samotného napájecího zdroje a podle toho i transformátoru, který je základem galvanického oddělení, je nutné zvýšit frekvenci vstupního napětí.
Zároveň pulzní transformátory, na rozdíl od konvenčních lineárních, mají feritové jádro magnetického obvodu, nikoli ocelové jádro vyrobené z desek. A také moderní napájecí zdroje fungující na tomto principu se skládají z:
- usměrňovač síťového napětí;
- generátor impulsů pracující na bázi PWM (modulace šířky impulsů) nebo Schmittova spouště;
- stabilizovaný měnič konstantního napětí.
Po usměrňovači síťového napětí generátor impulsů pomocí PWM generuje střídavý proud s frekvencí přibližně 20–80 kHz. Právě toto zvýšení z 50 Hz na desítky kHz umožňuje výrazné snížení rozměrů i hmotnosti zdroje energie. Horní rozsah by mohl být větší, ale pak by zařízení vytvářelo vysokofrekvenční rušení, které by ovlivnilo provoz radiofrekvenčních zařízení. Při volbě PWM stabilizace je nutné zohlednit i vyšší harmonické proudů.
I při provozu na takových frekvencích generují tato pulzní zařízení vysokofrekvenční rušení. A čím více jich je v jedné místnosti nebo v jedné uzavřené místnosti, tím více jich je v rádiových frekvencích. Pro absorpci těchto negativních vlivů a rušení se na vstupu a výstupu zařízení instalují speciální odrušovací filtry.
Toto je jasný příklad moderního spínaného zdroje napájení používaného v osobních počítačích.
A — vstupní usměrňovač. Lze použít polomůstkové i můstkové obvody. Níže je uveden vstupní filtr s indukčností;
B — vstupní vyhlazovací kondenzátory s poměrně velkou kapacitou. Vpravo je chladič vysokonapěťových tranzistorů;
C — pulzní transformátor. Vpravo je namontován zářič nízkonapěťových diod;
D — výstupní filtrační cívka, tj. skupinová stabilizační tlumivka;
E — výstupní filtrační kondenzátory.
Cívka a velký žlutý kondenzátor pod E jsou součástí přídavného vstupního filtru namontovaného přímo na napájecím konektoru a nejsou součástí hlavní desky plošných spojů.
Pokud si radioamatér sám vymýšlí obvod, určitě se podívá do referenční příručky o rádiových součástkách. Referenční příručka je v tomto případě hlavním zdrojem informací.
Spínaný napájecí zdroj Flyback
Toto je jeden z druhů pulzních napájecích zdrojů, které mají galvanické oddělení primárního i sekundárního obvodu. Tento typ měniče byl vynalezen okamžitě, patentován již v roce 1851 a jeho vylepšená verze byla použita v zapalovacích systémech a při řádkovém skenování televizorů a monitorů k napájení sekundární anody kineskopu vysokonapěťovou energií.
Hlavní částí tohoto zdroje napájení je také transformátor nebo případně tlumivka. Jeho činnost probíhá ve dvou fázích:
- Akumulace elektrické energie ze sítě nebo z jiného zdroje;
- Výstup akumulované energie do sekundárních obvodů polovičního můstku.
Během otevírání a zavírání primárního obvodu se v sekundárním obvodu objevuje proud. Roli otevíracího klíče nejčastěji plnil tranzistor. Jeho parametry je nutné zjistit pomocí referenční příručky. Řízení tohoto tranzistoru se nejčastěji provádí pomocí polního PWM regulátoru.
Ovládání PWM regulátorem
Převod síťového napětí, které již prošlo usměrňovacím stupněm, na obdélníkové impulsy se provádí s určitou periodicitou. Perioda zapínání a vypínání tohoto tranzistoru se provádí pomocí mikroobvodů. PWM regulátory těchto klíčů jsou hlavním aktivním řídicím prvkem obvodu. V tomto případě mají jak dopředné, tak i zpětné napájení transformátor, po kterém dochází k opakovanému usměrnění.
Aby se zabránilo poklesu výstupního napětí v SMPS s rostoucí zátěží, byla vyvinuta zpětná vazba, která byla připojena přímo k PWM regulátorům. Takové zapojení umožňuje úplnou stabilizaci řízeného výstupního napětí změnou délky střídy impulzů. Regulátory pracující na PWM modulaci poskytují široký rozsah kolísání výstupního napětí.
Mikroobvody pro pulzní napájecí zdroje mohou být domácí i zahraniční výroby. Například NCP 1252 jsou PWM regulátory s proudovou regulací, které jsou navrženy pro vytváření obou typů pulzních měničů. Generátory pulzních signálů této značky se osvědčily jako spolehlivá zařízení. Regulátory NCP 1252 mají všechny kvalitativní vlastnosti pro vytváření cenově dostupných a spolehlivých napájecích zdrojů. Pulzní napájecí zdroje založené na tomto mikroobvodu se používají v mnoha značkách počítačů, televizorů, zesilovačů, stereo systémů atd. V referenční knize najdete všechny potřebné a podrobné informace o všech jeho provozních parametrech.
Výhody spínaných napájecích zdrojů oproti lineárním
Pulzní napájecí zdroje mají řadu výhod, které je kvalitativně odlišují od lineárních. Zde jsou ty hlavní:
- Výrazné snížení rozměrů a hmotnosti zařízení;
- Snížení množství drahých neželezných kovů, jako je měď, používaných při jejich výrobě;
- Žádné problémy se zkraty, to platí ve větší míře pro flyback zařízení;
- Vynikající plynulá regulace výstupního napětí a jeho stabilizace zavedením zpětné vazby do PWM regulátorů;
- Vysoká účinnost.
Nicméně, stejně jako všechno na tomto světě, i pulzní bloky mají své nevýhody:
- Rušivé vyzařování, ke kterému může docházet v důsledku vadných obvodů pro potlačení rušení, nejčastěji se jedná o vysychání elektrolytických kondenzátorů;
- Nežádoucí provoz bez zátěže;
- Složitější obvod s větším počtem součástek, pro který je k nalezení analogů zapotřebí referenční příručka.
Použití napájecích zdrojů založených na vysokofrekvenční modulaci (v pulzním režimu) v moderní elektronice, a to jak v běžném životě, tak ve výrobě, významně ovlivnilo vývoj všech elektronických zařízení. Z trhu již dávno vytlačily zastaralé zdroje postavené na tradičním lineárním obvodu a budou se dále jen zdokonalovat. Srdcem tohoto zařízení jsou PWM regulátory a vývoj jejich funkčnosti a technických vlastností se neustále zlepšuje.
