Obr. 1. Základní zapojení jednočinného měniče
Pozn. Vzhledem rozsáhlosti některých schémat jsem použil naskenované obrázky z časopisu. Obrázky jsou však tak velké, že pokud si je budete tisknout z Internet Exploreru, nevytisknou se celé. Obrázky si můžete uložit, např. pomocí pravého tlačítka myši ("Uložit obrázek jako ..." nebo "Save image as ..."), a vytisknout jiným programem.
Naprostá většina napájecích zdrojů používaných ve výpočetní technice je dnes řešena jako spínané zdroje. Použití spínaných zdrojů umožňuje zlepšit účinnost napájecí části, a ač je to v našich podmínkách zatím těžko představitelné, i snížit výrobní náklady. Další úspory vzniknou zmenšením hmotnosti a rozměrů zařízení. Při konstrukci spínaných zdrojů jsou kladeny mimořádné nároky na feritová jádra transformátorů, na usměrňovací diody i na výkonové tranzistory. Z těchto důvodů se spínané zdroje ve větší míře používají až v posledním desetiletí. Velkou zásluhu na tom také mají nové integrované obvody, jejichž použití umožnilo zjednodušit konstrukci spínaných zdrojů a hlavně zvětšit spolehlivost. Dnešní mohutný nástup počítačů PC byl totiž podmíněn nejen rozvojem mikroelektroniky, ale jistě i pokrokem při konstrukci zdrojů. Těžko si představit PC, jak je „vyplněn" běžným transformátorem o výkonu 200 W, baterií elektrolytických kondenzátorů a chladiči stabilizátorů pro jednotlivá napájecí napětí. Ve spotřební elektronice se spínané zdroje uplatňují hromadně jen v televizních přijímačích, použití pro jiná zařízení není zatím příliš běžné.
V tomto článku bych chtěl popsat několik typických zapojení spínaných zdrojů a jejich vlastností. Popis by měl posloužit především jako inspirace při vlastní tvořivé práci a jako pomůcka pro servisní techniky.
Všechny zdroje používají pro napájení primární části přímo usměrněné síťové napětí. Pro menší výkony (do 60 až 100 W) bývá zdroj zapojen jako jednočinný blokující měnič, pro výkony větší jako dvojčinný propustný měnič. Pro amatérskou realizaci je zajímavější použití jednočinného měniče, neboť jeho konstrukce je podstatně snazší. Proto mu bude v popisu věnován větší prostor. Než se pustím do podrobného popisu jednotlivých zdrojů, připomeňme si princip jejich činnosti. Podrobný popis principu spínaných zdrojů lze nalézt v AR B4/82.
Obr. 1. Základní zapojení jednočinného měniče
Podstatná část zapojení jednočinného měniče je na obr. 1. Kondenzátor C1 je filtrační kondenzátor a je nabíjen usměrněným síťovým napětím. Protože pracovní kmitočet měniče je podstatně vyšší než kmitočet napětí sítě, představuje C1 po většinu času zdroj napětí pro měnič.
Jeden pracovní cyklus měniče lze rozdělit do několika částí. V první části sepne tranzistor T1 a připojí primární vinutí transformátoru L1 ke kondenzátoru C1. Proud vinutím se postupně zvětšuje, zvětšuje se i magnetické pole v jádře transformátoru. Po určité době musí řídicí elektronika zajistit rozepnutí tranzistoru T1. Ve snaze zachovat procházející proud, vybudí magnetické pole jádra ve vinutí L1 a L2 napětí opačné polarity. Protože nyní vinutím L1 proud prakticky neprochází, „přelévá" se energie magnetického pole přes L2 a D1 do zátěže. Výstupní napětí zdroje je dáno poměrem závitů vinutí L1 a L2, velikostí napájecího napětí na primární straně a poměrem časů, po něž je tranzistor otevřen a uzavřen. Průběhy napětí a proudu v některých místech měniče jsou na obr. 2a.
Obr. 2. Průběhy napětí v některých místech jednočinného
měniče
Je-li opakovací kmitočet měniče nízký, popř. je-li zdroj málo zatížen, může v praxi nastat případ, kdy magnetické pole v jádře zanikne dříve, než je tranzistor znovu sepnut. Na nyní nezatíženém vinutí transformátoru vzniknou tlumené kmity. Průběhy napětí v měniči jsou na obr. 2b. Tento stav není příliš nebezpečný, neboť amplituda kmitů je menší než pracovní rozkmit napětí. Zmenšuje se však účinnost měniče a proto tento způsob činnosti nelze v rozsahu pracovní zátěže tolerovat.
Při práci měniče mohou nastat dva nebezpečné stavy: pracuje-li do zkratu či bez zátěže. V prvním případě se může nadměrně zvětšit proud procházející spínacím tranzistorem, v druhém napětí na vinutí transformátoru. Tyto stavy jsou řešeny vhodným zapojením řídicí elektroniky a často i použitím rezistorů, realizujících jistou minimální zátěž pro měnič.
Obr. 3. Zapojení dvojčinného propustného měniče
Poněkud složitější je zapojení dvojčinného propustného měniče. Při popisu jeho funkce můžeme vycházet ze zapojení na obr. 3. Kondenzátory C1 a C2 slouží jako zásobník energie (stejně jako v případě jednočinného měniče kondenzátor C1). Rezistory R1 a R2 udržují ve středu děliče přibližně polovinu napájecího napětí: Do tohoto středu je připojen jeden konec primárního vinutí L1, druhý může být přes tranzistory T1 a T2 připojen na kladné nebo záporné napájecí napětí. Na sekundární straně je dvojčinný usměrňovač a pro funkci měniče důležitá tlumivka Tl. Při popisu činnosti se podíváme na průběhy napětí v některých místech měniče - viz obr. 4.
Obr. 4. Průběhy napětí v některých místech dvojčinného
měniče
Tranzistory T1 a T2 střídavé připojují primární vinutí na kladné nebo záporné napájecí napětí. Tato napětí se přímo transformuje na sekundární vinutí. Protože se v transformátoru nehromadí tolik energie ve formě magnetického pole jako u blokujícího měniče, může být transformátor podstatně menší. Tranzistory jsou vždy otevřeny po dobu kratší než je polovina periody a proto na katodách diod D1 a D2 dostaneme pulsující stejnoměrné napětí, přičemž šířka impulsů odpovídá délce sepnutí T1 nebo T2. Výstupní napětí je úměrné velikosti napětí a šířce impulsů na katodách D1 a D2. Výstupní napětí se vlastně reguluje na tlumivce řízením doby sepnutí T1 a T2. Má-li zdroj několik výstupních napětí, jsou všechny tlumivky navinuty na společném jádře. To zajistí přibližně stejný poměr výstupních napětí i při rozdílné zátěži v jednotlivých větvích. Počet závitů a polarita vinutí musí být úměrná výstupním napětím.
Rovněž tento typ měniče vyžaduje pro správnou činnost jistou minimální zátěž. Někteří výrobci doporučují 10%, což je někdy obtížně splnitelné. Napájí-li zdroj o výkonu 200 W bezdiskovou síťovou stanici, může být příkon komponent počítače i menší. Zpravidla však již zátěž několika procent zcela dostačuje. Tento typ měniče je mnohem méně odolný proti zkratu. Podaří-li se nám zkratovat výstup, zdroj zpravidla zničíme.
Protože na některé součásti zdrojů bývají kladeny zvýšené nároky, nebude na škodu se zde o nich zmínit. Spínací tranzistor jednočinného měniče musí s rezervou vydržet napětí U1+U3 (viz obr. 2a), přičemž proud tekoucí sepnutým tranzistorem může dosáhnout i 2 A. U dvojčinného měniče musí spínací tranzistory vydržet napětí U1 (viz obr. 4) a proud asi 5 A. Dnes již není problém sehnat vhodné tranzistory. Ze známějších typů lze použft bipolární BUT11A nebo BU508A, či unipolární IRF830 nebo BUZ90A. Mnohem větší problém je sehnat vhodné feritové jádro pro transformátor. Z tuzemských materiálů lze použít jádra z hmoty H21. S jádrem EE32 se mi podařilo postavit blokující měnič, který dodal výkon 100 W. Měnič pracoval na kmitočtu 50 kHz. Pro amatérskou stavbu zdrojů můžeme také použít feritová jádra z vysokonapěťových transformátorů černobílých TV přijímačů. U blokujících měničů je kritická parazitní kapacita vinutí. Z těchto důvodů bývá primární vinutí rozděleno na dvě části, které jsou zapojeny do série. První část vinutí je zcela vespod, druhá jako poslední vinutí navrchu. Pro zmenšení ztrát je pro každé vinutí (zvláště sekundární) použito několik tenčích vodičů paralelně. Při stejném průřezu se tak zvětší povrch a omezí povrchový jev. Kritickou součástí měniče jsou usměrňovači diody na sekundární straně. Diody musí být dostatečně rychlé a nesmí mít velký úbytek napětí v propustném směru. Pro větší výstupní napětí a proudy do 1 A lze použít např. BY339, pro menší napětí a proud do 3 A např. BYW29-150. Pro malá výstupní napětí (5 V) je vhodné použít Schottkyho diody. I když použijeme kvalitní diody, je to právě usměrňovač, na němž vznikají největší ztráty a diody je nutno většinou chladit.
Jako první si popíšeme zdroj z barevného monitoru VGA. Jeho úplné zapojení je na obr. 5. Zdroj dodává napětí 6,3 V pro žhavení obrazovky, napětí 20 V pro napájení většiny obvodů, napětí 88 V pro koncový stupeň videozesilovače a přepínané napětí 88/101 V pro koncový stupeň řádkového rozkladu.
Obr. 5. Zapojení zdroje pro barevný monitor VGA
Jedná se o jednočinný blokující měnič, který je zapojen jako samokmitající oscilátor. Kladná zpětná vazba, nutná pro nasazení a udržení oscilací, je zavedena z pomocného vinutí na primární straně (vývod č.7 Tr1) přes kondenzátor C6 a rezistor R4 do báze T2. V běžných oscilátorech tohoto typu je tranzistor otevřen tak dlouho, dokud se jádro transformátoru magneticky nenasytí. Pak zanikne napětí na pomocném vinutí, tranzistor přestane být buzen a zavře se. Energie magnetického pole se dovede do zátěže, tranzistor se otevře a celý cyklus začíná znovu. Pro činnost měniče je nevýhodné, je-li jádro transformátoru zmagnetizováno až do nasycení. Proto je v emitoru T2 rezistor s malým odporem (R10), na kterém je napětí úměrné proudu procházejícímu T2 a primárním vinutím. Dosáhne-li toto napětí jisté meze, otevírá se tranzistor T1 a působí proti dalšímu zvětšení proudu tekoucímu tranzistorem T2. Napětí na pomocném vinutí zanikne a T2 se zavře - jev je podobný jako při nasycení jádra. Indukčnost primárního vinutí transformátoru je asi 5 mH.
Požadovaná napětí jsou získána usměrněním z odboček na sekundárním vinutí transformátoru a stabilizována pomocí zpětné vazby přes optron na primární stranu. Zvětší-li se výstupní napětí, zvětší se proud tekoucí LED optronu. Popis obvodu TL431C, který je použit v obvodu stabilizace napětí, naleznete v AR A5/93 na str. 15. Výstupní tranzistor optronu zavede do báze T1 přídavný proud a tím způsobí, že T2 se zavře dříve. Celková energie dodaná do jádra (a tím i do zátěže) se zmenší a zmenší se i výstupní napětí. Kondenzátor C9 se dobíjí, když je T2 otevřen, a proto napětí na něm je úměrné napájecímu a nikoliv výstupnímu napětí.
Rezistorem R2 prochází malý proud, který je nutný pro nasazení a udržení oscilací, člen R3, C5 a D6 omezuje překmity na primárním vinutí, které ohrožují T2. Překmity jsou způsobeny nedokonalostí vazby mezi primárním a sekundárním vinutím a mohou být i několik set voltů. Tento člen najdeme u všech blokujících měničů. Podobný význam má i člen R5, C7 a D7 a kondenzátory připojené paralelně k usměrňovacím diodám. Povšimněme si ještě dalších částí zdroje. Dioda D15 a tyristor Ty1 jsou zapojeny jako přepěťová pojistka. Vznikne-li z nějakého důvodu (např. porucha optronu) závada na stabilizaci a napětí se zvětší nad přípustnou mez, sepne tyristor a zkratuje výstup. I když dlouhotrvající zkrat může způsobit další poškození zdroje, jsou následky vždy snáze opravitelné, než při zničení části elektroniky monitoru napětím dva až čtyřikrát větším.
Měniče tohoto typu mají sklon k nepravidelnostem při své činnosti. Projevuje se to syčením nebo šumem ozývajícím se z jádra transformátoru. Proto je jeho práce synchronizována s kmitočtem řádkového rozkladu. Cívka L3 jsou dva nebo jeden závit vodiče na vysokonapěťovém transformátoru monitoru. Kladné impulsy z L3 procházející C2 a D5 synchronizují otvírání T2. Pro správnou funkci musí být pracovní kmitočet nezasynchronizovaného zdroje nižší. Synchronizace má ještě jeden příznivý vliv - omezuje zkreslení obrazu monitoru. Rozptylové pole transformátoru a nedostatečně vyfiltrované napájecí napětí mohou totiž způsobovat zdvojení řádek nebo roztřepení svislých čar. Synchronizací tento jev zcela vyloučíme.
Řádkový kmitočet monitoru super VGA může být buď 31,5 kHz nebo 35,5 kHz. Pro zachování rozměru obrazu a velikosti anodového napětí obrazovky je třeba pro vyšší kmitočet také větší napájecí napětí pro koncový stupeň řádkového rozkladu. K přepínání slouží tranzistory T3, T4 a T5. Na vstup označený 31/35k je přiváděn signál v úrovni TTL, generovaný elektronikou monitoru. Trimry P1 a P2 je nastavováno výstupní napětí zdroje pro jednotlivé případy.
Při zapnutí zdroje se nejdříve nabíjejí kondenzátory C3 a C4. Dojde k proudovému nárazu, který značně ohrožuje diody D1 až D4, protože vybité kondenzátory představují v podstatě zkrat. Aby se omezil nabíjecí proud, je do přívodu zařazen termistor Rt2. Odpor termistoru je 10 až 20 Ohmů a po zahřátí procházejícím proudem se zmenší na zlomek této velikosti. Zajímavým způsobem je vyřešeno přepínání na 120 V. Po sepnutí spínače S2 se změní funkce usměrňovače na zdvojovač napětí. Diody připojené ke spínači jsou pak vyřazeny z funkce. Spínač S2 bývá často vyřešen jen jako propojka, přístupná až po sejmutí krytu přístroje. Nepříjemnou vlastností spínaných zdrojů je možnost vzniku rušení. Aby se omezilo rušení pronikající do síťového rozvodu, je téměř vždy použit filtr. U tohoto zdroje je realizován kondenzátorem C1 a filtrační tlumivkou L1.
Na závěr tohoto popisu zdroje bych trochu odbočil a popsal obvod, který s funkcí zdroje nijak nesouvisí. Pro zachování čistoty barev je u barevných televizorů a počítačových monitorů při zapnutí demagnetizována obrazovka. K tomu slouží cívka, která je navinuta po obvodu čelní plochy obrazovky. Cívka vytváří střídavé magnetické pole, které se po zapnutí rychle zmenšuje a za několik sekund zcela zanikne. K řízení tohoto procesu se používá blok termistorů PTC. Termistor PTC je součástka, jejíž odpor se při určité teplotě prudce zvětší až o několik řádů. V bloku, nakresleném na obr. 5, jsou vlastně termistory dva - jeden je zapojen v sérii s demagnetizační cívkou a druhý přímo na síťové napětí. Mezi oběma termistory je těsná tepelná vazba. Po zapnutí prochází demagnetizační cívkou značný proud. Termistor se zahřívá a proud se postupně zmenšuje. Druhý termistor (připojený přímo k síti) je vyroben tak, že teplota, při které obvod přechází do nevodivého stavu, je vyšší. Malý procházející proud pak udržuje právě tuto teplotu, při které je první termistor již zcela nevodivý a proud demagnetizační cívkou neprochází.
Obr. 6. Zapojení zdroje černobílého monitoru
Další ukázkou spínaného zdroje je zdroj z černobílého monitoru. Jeho zapojení je na obr. 6. Opět se jedná o jednočinný blokující kmitající měnič a jeho zapojení je velmi podobné zdroji z obr. 5. Odlišně je zapojena stabilizace výstupního napětí a proto si ji popíšeme.
Z pomocného vinutí na primární straně je přes diodu D7 nabíjen kondenzátor C8. Protože se kondenzátor nabíjí v době, kdy je T3 zavřen, odpovídá napětí na C8 přibližně výstupnímu napětí, samozřejmě v poměru k počtu závitů sekundárního a pomocného vinutí. Velikost napětí je upravena děličem R8 a R9. Zvětší-li se toto napětí tak, že dosáhne Zenerova napětí diody D6, otevírá se T1. Tranzistor 13 je pak otevřen kratší dobu a celková energie dodaná do jádra se zmenší. Princip řízení výkonového tranzistoru je shodný s řízením u zdroje na obr. 5. Činitel stabilizace je horší, a to zvláště při změně zátěže, protože vazba mezi vinutími není úplně těsná. Tento zdroj je výhodný do zařízení, jejichž odběr se příliš nemění.
Rovněž tento zdroj je synchronizován kmitočtem řádkového rozkladu. Signál ze smyčky vodiče, provléknutého jádrem vn transformátoru, je přiveden přes D9 a R13 do báze T3. Pro omezení proudového rázu při zapnutí je v tomto zdroji místo termistoru použit rezistor s odporem 3,9 Ohmů. Všechny ostatní obvody byly již popsány u předešlého zdroje a není proto potřeba se o nich znovu zmiňovat.
Jaroslav Belza
Článek byl otištěn v Amatérském radiu řada B (modré) č. 4/1994 s. 145 až 151
29. 12. 2001