Jednym z najistotniejszych zespoów zasilaczy impulsowych s ukady
przekazywania energii. Ukad przekazywania energii skada si z elementów
przeczajcych, które umoliwiaj przepyw energii pomidzy wej ciem a wyj ciem.
Ukady przekazywania energii maej mocy zawieraj rezystancyjny lub
kondensatorowy obwód adowania, natomiast ukady redniej i duej mocy maj obwód
adowania indukcyjny lub transformatorowy.
Ukady o wyjciu nieizolowanym od wejcia
Ukady przekazywania energii o wyj ciu nieizolowanym od wej cia zostay
podzielone na trzy grupy: ukady obniajce (ang. step-down, bucking), ukady
podwyszajce (ang. step-up, boost) lub zmieniajce biegunowo ’ napicia staego
(polarity-converting).
Ukady obniajce napicie stae
Ukady przekazywania energii o rezystancyjnym obwodzie adowania
Ukad przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem adowania zosta
przedstawiony na
Rysunku 5
. Stabilizacja w ukadach tego typu odbywa si w ten
sposób, e kondensator podczony równolegle do wyj cia, jest adowany okresowo
poprzez rezystor
R
e
. Przy wczonym przeczniku S, adunek przepywajcy z
kondensatora
C
o
do obcienia
R
L
(odbiornika) jest dostarczany z wej cia poprzez
zewntrzny rezystor
R
e
, ograniczajcy prd. Warto ’ rednia napicia wyj ciowego jest
proporcjonalna do wzgldnej warto ci czasu wczania elementu przeczajcego, czyli
do wspóczynnika wypenienia.
Impulsy pojawiajce si na wyj ciu przecznika szeregowego s u redniane
przez filtr dolnoprzepustowy skadajcy si z elementów
R
e
i
C
o
. Rezystor
R
e
spenia
dwie funkcje: ogranicza prd adowania oraz stanowi cze ’ skadow filtru
dolnoprzepustowego typu RC.
Filtr RC
I
i
R
e
I
o
I
c
U
i
C
o
U
o
R
L
R
i
U
i
> U
o
Rysunek 5
. Podstawowy ukad przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem
adowania
W ukadzie, gdzie czas wczania t
on
(czas adowania) elementu przeczajcego
jest stay (z pominiciem staych czasowych wczania t
on
oraz wyczania t
off
),
adunek odprowadzany z kondensatora C
o
w okresie T jest równy adunkowi
doprowadzonemu do ukadu w czasie trwania pojedynczego impulsu adowania:
t
on
I
o
T
=
Ð
i
i
(
t
)
dt
0
Przebieg prdu adowania wyraa si za zaleno ci:
gdzie
t
c
=R
e
C
o
jest sta czasu obwodu adowania.
Po podstawieniu warto ci i
i
(t) do pierwszej zaleno ci i po przeprowadzeniu
cakowania uzyskuje si warto ’ redni prdu:
Powyszy wzór to podstawowa zaleno ’ ukadu przekazywania energii (
przetwornicy DC-DC).
Ukad przekazywania energii z rezystancyjnym obwodem adowania jest
zastpowany przez ukady z indukcyjnym obwodem adowania, ze wzgldu na due
straty na rezystancji i bardzo duy kondensator gromadzcy.
Ukady przekazywania energii z indukcyjnym obwodem adowania
Na
Rysunku 6
przedstawiono ukad przekazywania energii z indukcyjnym
obwodem adowania. W ukadzie tym tranzystor pracuje jako przecznik. Kondensator
C, podczony równolegle do wyj cia, jest adowany okresowo poprzez dawik L
ograniczajcy prd. W czasie wczenia tranzystora, dawik ogranicza prd do warto ci
odpowiedniej dla zabezpieczenia tranzystora. Gdy tranzystor przewodzi pojemno ’ C
aduje si poprzez dawik, w którym gromadzi si energia magnetyczna. W czasie
wczenia t
on
przyrost prdu w dawiku:
D
I
=
U
i
-
U
o
t
=
U
i
-
U
o
g
Lon
L
on
L
gdzie
L jest indukcyjno ci dawika, a g -
wspóczynnikiem wypenienia.
U
CE
I
c
L
I
L
I
o
U
i
C
i
U
i
C
U
o
R
L
I
D
Rysunek 6.
Ukad przekazywania energii z indukcyjnym obwodem adowania.
Gdy tranzystor zostanie zatkany, zmienia si biegunowo ’ napicia na dawiku,
a zgromadzona w nim energia jest doprowadzona do obcienia, poprzez diod
usprawniajc D. W czasie wyczenia t
off
prd w dawiku maleje w sposób
nastpujcy:
I
U
o
Loff
L
Równowaga zachodzi wówczas, gdy przyrost i spadek prdu dawika w trakcie
czasu wczania i wyczania s sobie równe czyli:
U
i
-
U
o
T
U
o
T
L
L
Std:
U
g
o
=
U
i
Jak wida’, napicie wyj ciowe moe by’ stabilizowane przez
zmian wspóczynnika wypenienia. Poniewa wspóczynnik wypenienia g < 1, wic
napicie wyj ciowe jest zawsze nisze od napicia wej ciowego.
Dla wyj cia indukcyjno ’ L tworzy razem z kondensatorem C filtr
dolnoprzepustowy czyli ukad cakujcy. Jednocze nie dawik jest elementem
ograniczajcym prd. Dziki zastosowaniu dawika jest moliwe zarówno gromadzenie,
jak i odzysk energii. Gdy tylko tranzystor zostanie zatkany, zaczyna przewodzi’ dioda
D przekazujc energi zgromadzon w dawiku L do kondensatora i obcienia. Jest to
czynnik poprawiajcy sprawno ’ ukadu.
Dioda usprawniajca (ang. flyback diode) przewodzi tylko prd przy zatkanym
tranzystorze. Dziki temu energia zgromadzona w dawiku w czasie wczania moe
powróci’ do wyj cia. W ukadzie bez diody, napicie pojawiajce si na indukcyjno ci
podczas zatkania tranzystora uszkodzioby go.
Minimalna warto ’ indukcyjno ci dawika przy której prd dawika maleje do
zera jest równa indukcyjno ci ograniczajcej amplitud waha: prdu do podwójnej
warto ci redniej minimalnego prdu obcienia.
U
T
(
- g
)
=
2
L
Je li w miejsce ; podstawimy wyraenie U
o
/U
i
, a w miejsce I
o AV
wyraenie P
o
/U
o
, to:
gdzie P
o_min
jest minimaln moc wyj ciow.
Przy zadanej indukcyjno ci mona obliczy’ warto ’ graniczn prdu obcienia
przy której chwilowa warto ’ prdu dawika osiga dokadnie warto ’ równ zeru:
I
=
(
-
g
)
TU
i
lim
2
L
Przy prdzie obcienia wyszym od tej warto ci, prd dawika nie spada do
zera.
Przy braku strat do okre lenia parametrów ukadu wane s nastpujce
zaleno ci:
Je li uwzgldnimy straty (
Rysunek 7
) to przy prdzie obcienia
przekraczajcym prd graniczny I
lim
( przy czym I
lim
jest prdem obcienia, przy
którym chwilowy prd dawika maleje dokadnie do zera)
U
o
=
g
U
i
– I
o
[
g
R
sat
+ (1-
g
)R
D
+ R
LS
]
Prd graniczny:
I
=
(
-
g
)
TU
i
lim
2
L
Minimalna warto ’ indukcyjno ci niezbdna do podtrzymania cigo ci prdu
dawika:
R
sat
S
R
LS
L
I
o
U
i
C
U
o
R
D
Rysunek 7.
Ukad stabilizatora obni.aj/cego napi0cie o indukcyjnym obwodzie
adowania, uzupeniony o szeregowe rezystory strat