Jak funguje spínaný zdroj?

Podívejme se blíže na to, jak funguje spínaný zdroj (UPS) jakéhokoli typu. Dnes jsou takové komponenty hlavním zdrojem elektrické energie v jakémkoli elektronickém zařízení. Audio aparaturu nepočítáme. Stále tam dominují lineární nebo transformátorové zdroje.

Koncept UPS existuje již dlouhou dobu. Jeho implementace však byla možná relativně nedávno. To bylo usnadněno vznikem řízených polovodičových spínačů s požadovanými charakteristikami. Nejprve mluvíme o tranzistorech s tranzistory MOSFET. MOSFETy dnes nahradily téměř všechna ostatní řízená polovodičová zařízení v oblasti nízko a středně výkonových měničů elektrické energie. Ve vysoce výkonných měničích zaujímají přední pozice IGBT tranzistory a také některé typy tyristorů.

Hlavní a nepopiratelnou výhodou spínaných zdrojů oproti lineárním (transformátorovým) zdrojům je jejich výrazně nižší hmotnost a rozměry při stejných výkonech. Pro srovnání si můžete vzít spínaný počítačový zdroj o výkonu 500 W a pouze jeden transformátor o výkonu 500 VA. Rozdíl, zejména ve váze, bude znatelný.

Existuje mnoho provedení UPS. Všechny však směřují ke snížení především hmotnosti a rozměrů transformátoru. Proč transformátor? Protože jde o nejobjemnější, nejtěžší a nejdražší prvek napájecího zdroje.

Abychom měli dobrou představu o tom, jak funguje spínaný zdroj, uvažujme nejprve o klasickém lineárním napájecím obvodu.

Lineární napájecí obvod

Hlavními úkoly každého průmyslového zdroje je snížit střídavé napětí 220 V (230 V) na požadovanou hodnotu, následně jej usměrnit, vyhladit a stabilizovat.

Proto každý lineární napájecí obvod musí obsahovat minimálně tyto prvky: transformátor, usměrňovač, filtr, stabilizační jednotka. Účel každého prvku zde byl podrobněji popsán.

Nyní, když se podíváme na součásti funkčního schématu lineárního napájecího zdroje, pojďme diskutovat, které prvky vedou ke zvýšení jeho hmotnosti a hmotnosti. Jako usměrňovač se často používá diodový můstek. Zmenšení jeho velikosti nebude mít velký efekt. Ano, a bude obtížné to implementovat.

Stabilizační jednotka může být realizována různými způsoby. Proto na něm také budeme moci málo ušetřit. Zbývají pouze dva prvky: filtr a transformátor. Filtr je vysokokapacitní elektrolytický kondenzátor. Ale změna jeho parametrů, jak uvidíme později, vám neumožní získat žádné hmatatelné zisky. Zbývá prozkoumat možnosti způsobů minimalizace transformátoru.

Jeho hlavním úkolem je přenášet výkon ze zdroje vysokého napětí na stranu nízkého napětí. V tomto případě je nutné zajistit galvanické oddělení vysokonapěťových a nízkonapěťových obvodů. Galvanické oddělení je nutné u naprosté většiny zařízení z bezpečnostních důvodů, a to jak pro personál, tak pro zařízení nízkého napětí. A transformátor jako žádný jiný prvek tyto a další podmínky splňuje. Přitom má maximální účinnost až 99 %. Z tohoto důvodu k němu stále nemohou najít alternativu, za kterou musí platit zvýšenou hmotnost a velikost napájecího zdroje jako celku.

Beztransformátorové napájecí zdroje

Samozřejmě vždy vyvstala otázka: je možné se obejít bez transformátoru? Zde je odpověď nejednoznačná. Je to možné i nemožné. Navíc existují beztransformátorové napájecí zdroje. Ke snížení napětí se používá kondenzátor. Kondenzátor se vyznačuje reaktancí při provozu v obvodech střídavého proudu. Právě tato vlastnost je úspěšně využívána. Reaktance kondenzátoru však závisí nepřímo na jeho kapacitě. S rostoucí zátěží je tedy nutné použít větší kondenzátor, což velmi ovlivňuje jeho velikost. Navíc se zvyšuje jeho cena, protože musí být dimenzován na 400. 450 V. Využití reaktance mimo jiné negativně ovlivňuje kvalitu elektřiny v napájecí síti. Snižuje se účiník cosφ. Ale hlavní nevýhodou je nedostatek galvanické izolace. To vylučuje použití takových obvodů v naprosté většině elektronických zařízení.

Jak snížit hmotnost a rozměry transformátoru

Výkon každé jednotky UPS je tedy určen pouze dvěma parametry: napětím a proudem.

P = U∙I.

Celkový výkon transformátoru (T) je také určen součinem proudu a napětí. Podívejme se proto, jak závisí rozměry T na množství nanášeného materiálu U a prosakující I. Snad se nám zde podaří něco ovlivnit.

Napětí nebo přesněji EMF daného elektromagnetického zařízení je určeno frekvencí přiváděného napětí f, počet otáček w a magnetický tok Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Odebereme koeficient 4,44 pro zesílení, protože odpovídá sinusovému tvaru proudu. U spínaných zdrojů, kde je tvar signálu obdélníkový, má tento koeficient jiný význam.

E ~ f∙w∙Φ

Magnetický tok je produktem magnetické indukce B na ploše průřezu magnetického jádra Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Zamysleme se nad tímto vzorcem z perspektivy, která nás zajímá. Rozměry T jsou určeny rozměry jeho jádra a vinutí. Zjednodušeně lze říci, že rozměry jádra závisí na ploše průřezu jádra (magnetické jádro) Sс. A rozměry vinutí závisí na počtu závitů w.

Nyní je zřejmé, že zachovat stejnou hodnotu elektromotorické síly E s poklesem počtu otáček w a průřezová plocha Sсa podle toho rozměry transformátoru, je nutné zvýšit buď frekvenci nebo indukci, nebo tyto dva parametry současně.

Převážná většina jader průmyslových transformátorů je vyrobena z elektrooceli. Taková ocel má indukci nasycení asi 1,7 T. To je poměrně velká indukční hodnota. Vyšší je pouze u čistého železa, které má nejvyšší možnou indukci ze všech magnetických materiálů a je o něco více než 2 Tesla. Bohužel čisté železo není vhodné pro použití v elektromagnetických zařízeních z důvodu silných energetických ztrát při reverzaci magnetizace.

Alternativní magnetické materiály

Permalloy se také používá v řadě zemí. Permalloy má o něco nižší indukci než elektroocel, ale má vyšší elektrický odpor. To snižuje ztráty vířivými proudy a tím i ztráty naprázdno.

Relativně nedávno se na trhu objevily amorfní a nanokrystalické slitiny za přijatelnou cenu. Mají vysoký elektrický odpor a jejich indukce se blíží indukci elektrických slitin. Navíc mají řadu pozitivních vlastností, které jsou lepší než jiné magnetické materiály. Tím se zde ale zabývat nebudeme.

Indukce v současnosti známých magnetických materiálů a slitin však nedosahuje hodnoty výrazně vyšší než indukce elektrooceli, tedy více než 1,7 Tesla. Proto je nyní nemožné výrazně zmenšit rozměry elektromagnetického zařízení použitím nových magnetických materiálů. Zbývá tedy jediný způsob, který poskytne znatelné snížení hmotnosti a velikosti, zvýšení frekvence f AC.

Jak funguje spínaný zdroj pro elektronická zařízení?

Víme, že síť je 220 V nebo 230 V f rovná 50 Hz, to vyvolává otázku: jak ji zvýšit? A to se provádí následovně. Nejprve se pomocí klasického diodového můstku usměrní střídavé napětí 220 V, 50 Hz. Ten je pak vyrovnán větším elektrolytickým kondenzátorem. Dále se vyhlazené napětí opět přemění na střídavé napětí, ale s mnohem vyšší frekvencí. V moderních spínaných zdrojích je to řádově několik megahertzů. A toto vysokofrekvenční napětí je přiváděno do vinutí transformátoru. To umožňuje výrazně zmenšit jeho velikost při zachování stejné hodnoty elektromotorické síly. Poté se redukované napětí ze sekundárního vinutí opět usměrní, vyhladí a stabilizuje.

Stejnosměrné napětí se převádí na střídavé napětí pomocí měniče. Invertorové tranzistory pracují ve spínacím režimu, což vede k výskytu významných proudových impulsů. Proto musí být na vstupu prvního usměrňovače instalována tlumivka, aby se snížila úroveň zvlnění proudu způsobeného provozem měniče. Kromě toho je UPS zcela stíněna, aby bylo možné bojovat proti elektromagnetickým impulsům.

Právě kvůli těmto vlnám se UPS nepoužívají v audio zařízeních. V první řadě to platí pro zesilovače zvuku. Spolu s užitečným zvukovým signálem mohou také zesílit rušení nebo zvlnění vytvářené polovodičovými zařízeními pracujícími v režimu klíče. V konečném důsledku to negativně ovlivní kvalitu zvuku.

Průřez tr-ra drátu se stále počítá pro podobný proud. Elektroocel se však nepoužívá jako magnetické jádro, protože při vysokých frekvencích dochází k silným energetickým ztrátám způsobeným působením vířivých proudů. Proto se používají magnetické materiály s nejvyšším elektrickým odporem. Patří mezi ně ferity a různé typy magnetodielektrik.

PWM regulátor

Činnost invertorových polovodičových zařízení je řízena PWM regulátorem. Regulátor PWM může být implementován jako samostatný mikroobvod nebo v jediném pouzdru s polovodičovými spínači. Pro udržení dané napěťové úrovně na zátěži bez ohledu na změny jejích parametrů a další ovlivňující faktory je nutné změnit parametry pulzně šířkové modulace. Za to je zodpovědný PWM regulátor, který přijímá signál prostřednictvím zpětné vazby. Jako prvek tvořící zpětnou vazbu se používá optočlen. Lze použít i jiný radioelektronický prvek, obvykle schopný galvanického oddělení.

Nyní by mělo být jasné, jak funguje spínaný zdroj. Jeho obvod se skládá ze vstupního filtru, vstupního usměrňovače, vstupního vyhlazovacího filtru, měniče, pulzního transformátoru, výstupního usměrňovače a výstupního filtru.

Jako vstupní filtr se používá tlumivka. Elektrolytické kondenzátory větší kapacity slouží jako vyhlazovací filtry.

Výkonný spínaný zdroj?

Výrazně zvýšit f To je z pohledu výkonové elektroniky možné pouze u UPS s relativně malým výkonem. Ve vysoce výkonných měničích elektrické energie – desítky, stovky a tisíce kilowattů, bez ohledu na to, jak výrazně lze zvýšit frekvenci. To je způsobeno nedostatkem tranzistorů nebo tyristorů, které mohou rychle spínat velké zátěže při zachování přijatelné úrovně energetických ztrát. Maximum lze zvýšit f až tisíc hertzů, 400 Hz nebo ještě nižší. Kromě toho vznikají potíže s chlazením takových měničových jednotek.

Ztráty v polovodičových spínačích závisí na napětí, které je na ně aplikováno, teče I a spínací frekvence. S růstem f Energetické ztráty v polovodičových spínačích se značně zvyšují. Proto je účinnost celé instalace měniče výrazně snížena. Proto tato metoda zatím nenašla uplatnění pro výkonné měniče a je neúčinná.

Ale i zde se našlo východisko. Veškeré úsilí bylo zaměřeno na snížení velikosti a hmotnosti vinutí. V konvertorech může dosáhnout několika tun. Pokud dokážete výrazně zmenšit jeho velikost, můžete navinout určitý počet závitů a tím zmenšit rozměry magnetického jádra při zachování stejné hodnoty elektromotorické síly.

Hmotnost měděných vinutí m_о závisí na celkové délce jedné otáčky l_в, jejich čísla w, plocha průřezu S_в a měrnou hmotností mědi γ_м.

m_о = l_в∙w∙S_в∙γ_м.

Délka zatáčky l_в určeno jeho průměrem d_в, takže můžeme přepsat předchozí výraz takto:

m_о = π∙d_в∙w∙S_в∙γ_м.

Na druhé straně průměr d_в určuje indukčnost T. Nemůžeme ji tedy snížit, protože to v konečném důsledku povede ke snížení EMF, a to není přípustné.

Rovněž není možné snížit měrnou hmotnost mědi. Zbývá zmenšit plochu průřezu cívky.

To zase závisí na velikosti proudění I a přípustnou proudovou hustotu j.

S_в = I∙j.

Nemůžeme také snížit hodnotu proudu, protože určuje výkon transformátoru při dané hodnotě elektromotorické síly. Zbývá jen jedna cesta – zvýšit přípustnou hustotu j.

supravodiče

Tato hodnota pro měď je v průměru v rozmezí od 8 do 10 A/mm2. Pro vinutí elektrických strojů bude mít menší hodnotu a pro instalační vodiče nebo elektrické vedení bude mít větší hodnotu.

hodnota j ukazuje, jaký maximální proud může procházet daným průřezem vodiče. Pro zjednodušení budeme akceptovat přijatelnou hodnotu j = 10 A/mm2. To znamená, že můžete projít měděným drátem o průřezu 1 mm 2 I hodnotu 1 A. Pokud tuto hodnotu překročíte, dojde k přehřátí, což je nepřípustné. Hlavním důvodem je přehřívání izolace, které je u elektrických strojů dražší než cena samotného drátu. Se stoupající teplotou se životnost izolace prudce snižuje. To vede k předčasným opravám a nákladnému převíjení izolace.

Pokud je vodič nuceně chlazen, pak přes totéž S_в větší můžete přeskočit I. Tímto způsobem je možné výrazně zmenšit průřez S_в. Používají se tzv. supravodivá vinutí. Jsou ve speciální uzavřené nádobě naplněné tekutým dusíkem. Bod varu dusíku je těsně nad -195 °C. Kapalný dusík je dobrý, protože není výbušný ani toxický.

Díky použití kapalného dusíku se snižuje odpor vodiče. To vám umožní zvýšit j téměř 30krát, aniž by došlo k jeho přehřátí. A v souladu s tím zmenšete plochu průřezu navíjecího drátu, což zase vede ke snížení hmotnosti elektromagnetického zařízení.

Shrňme, co bylo řečeno výše. Pro snížení hmotnosti a rozměrů UPS s nízkým a středním výkonem zvyšují díky speciálním obvodovým řešením frekvenci přiváděného napětí do vinutí transformátoru. U výkonových měničů je tato metoda stále obtížně realizovatelná kvůli nedostatku polovodičových spínačů s přijatelnými spínacími charakteristikami. Jedinou racionální cestou je použití supravodivých vinutí.

Nyní, doufám, chápete, jak spínaný zdroj funguje a proč má takovou strukturu.