Прекидачки извор напајања

Прекидачки извор напајања је електронски извор напајања у којем транзистори раде као прекидачи. За разлику од линеарног извора напајања који регулише напон тако што дисипира вишак снаге на транзистору снаге, прекидачки извор великом брзином пребацује транзистор између стања засићења и закочења стварајући правоугаони напон чија је средња вриједност једнака жељеном излазном напону. Проласком оваквог правоугаоног напона кроз нискофреквентни филтар, састављен од кондензатора и калемова, добија се жељени једносмјерни напон. Главна предност прекидачких извора је њихов велики коефицијент искоришћења снаге (већи од 80%), јер је снага дисипације транзистора у режимима засићења и закочења много мања него у активном режиму. Друге предности су мање димензије и тежина (јер нема потребе за великим трансформаторима), као и мање стварање топлоте због велике ефикасности. Недостаци су повећана сложеност, високофреквентна енергија која може да изазове електромагнетну интерференцију, као и већи ниво сметњи на излазу због прекидачког рада.

Унутрашњост једног АТX прекидачког извора напајања:
А - мостни исправљач
Б - кондензатори улазног филтра
C - трансформатор
D - калем излазног филтра
Е - кондензатори излазног филтра

Принцип рада

Блок дијаграм прекидачког извора напајања са регулацијом излазног напона

Улазни исправљачки степен

Ако се прекидачки извор напаја наизмјеничним напоном прво га треба претворити у једносмјерни. Ово се зове исправљање. Исправљач производи пулсирајући једносмјерни напон који затим пролази кроз РЦ филтар који „пегла“ тај напон. Пулсирајући напон смањује фактор снаге, па квалитетнији прекидачки извори имају и степен за корекцију фактора снаге. Улазни исправљачки степен често посједује удвостручавач напона да би извор подједнако могао да ради са улазним напонима реда 120В као и 240В. Обично се прекидачем може подесити у којем опсегу ће да ради извор.

Извори који се напајају једносмјерним напоном не посједују исправљачки степен.

Инверторски степен

Инвертор претвара једносмјерни напон у наизмјенични велике учестаности (реда десетина или стотина килохерца). Учестаност се најчешће бира да буде изнад 20 кХз да би била нечујна за људско уво. Прекидање се обично врши помоћу МОСФЕТ-ова јер имају мању отпорност и подносе веће струје него биполарни транзистори.

Излазни исправљачки степен

Ако се захтијева да излаз буде изолован од улаза, што је најчешће случај, инвертовани напон се води на примарни намотај излазног високофреквентног трансформатора. Он повећава или смањује напон на жељени ниво на секундарном намотају. Напон са трансформатора се затим исправља да би се добио једносмјерни напон. За излазне напоне веће од 10 волти користе се брзе силицијумске диоде. За ниже напоне користе се Шоткијеве диоде јер имају мањи пад напона кад проводе. За веома мале напоне користе се МОСФЕТ-ови као синхрони исправљачи. Исправљени напон се „пегла“ пропуштањем кроз филтар састављен од кондензатора и калемова. Што је већа учестаност прекидања потребне су мање капацитивности и индуктивности али и "брже" силицијумске диоде.

Једноставнији, неизоловани извори садрже калем умјесто трансформатора. У ову групу спадају прекидацки спуштач напона (buck) и подизач напона (boost). То су најједноставнији прекидачки извори који садрже један активни прекидач (МОСФЕТ) и један индуктивитет.

Регулација

Повратна спрега упоређује излазни напон са референтним напоном, који је ручно или електронски постављен на жељени ниво. Ако постоји грешка у величини излазног напона, повратна спрега компензује тако што подешава период времена у којем су МОСФЕТ-ови укључени.

Врсте

Постоје разне врсте прекидачких извора:

• Прекидачки спуштач напона
• Прекидачки подизач напона
• Прекидачки обртач напона
• Флyбацк конвертор
• Форwард конвертор
• Пусх-Пулл конвертор
• Полумостни конвертор
• Пуномостни конвертор
• Ћук конвертор
• и др.

Прекидачки спуштач напона (буцк конвертор)

Шема прекидачког спуштача напона

Овај прекидачки извор садржи два прекидачка елемента (транзистор и диоду) и два реактивна елемента (калем и кондензатор). Најједноставнији начин да се смањи напон је употребом напонског раздјелника, али мане овог приступа су велика дисипација енергије и нерегулисаност излазног напона. Са друге стране, буцк конвертор може да буде веома ефикасан (степен искоришћења чак до 95% за интегрисана кола) и саморегулишући је. Због тога се често употребљава у преносним рачунарима за смањење напона батерије (типично 12 до 24 V) на напон од неколико волти потребан за рад процесора.

Принцип рада је веома једноставан:

• Када је прекидач на горњој шеми (најчешће транзистор) затворен, напон на калему ће бити $V_{L}=V_{i}-V_{o}$. Струја кроз калем ће да расте готово линеарно. Пошто је диода инверзно поларисана извором V_и, кроз њу неће тећи струја.
• Када је прекидач отворен диода је директно поларисана. Ако се занемари пад напона на диоди, напон на калему је $V_{L}=-V_{o}$. Струја кроз калем опада.

Енергија акумулисана у L је

$E={\frac {1}{2}}L\times I_{L}^{2}$

Из овога се може видјети да се енергија у калему повећава док је прекидач затворен, а смањује док је прекидач отворен. Калем служи за преношење енергије са улаза на излаз конвертора. Промјена струје кроз калем се може израчунати из:

$V_{L}=L{\frac {dI_{L}}{dt}}$

Повећање струје кроз калем док је прекидач укључен је једнако:

$\Delta I_{L_{on}}=\int _{0}^{t_{on}}{\frac {V_{L}}{L}}\,dt={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\cdot t_{on}}{L}}$

Временски дијаграм напона и струја идеалног буцк конвертора

Исто тако смањење струје кроз калем док је прекидач искључен је:

$\Delta I_{L_{off}}=\int _{0}^{t_{off}}{\frac {V_{L}}{L}}\,dt=-{\frac {V_{o}\cdot t_{off}}{L}}$

Ако се претпостави да коло ради у устаљеном режиму струја кроз калем ће да буде једнака у т=0 и т=Т (види слику десно). Тада је $\Delta I_{L_{on}}+\Delta I_{L_{off}}=0$, односно

${\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\cdot t_{on}}{L}}-{\frac {V_{o}\cdot t_{off}}{L}}=0$

Ако се уведе величина D=т_он/Т која се зове фактор испуне добија се:

$D={\frac {V_{o}}{V_{i}}}$

Из ове једначине се види да за одређени улазни напон излазни напон линеарно зависи од фактора испуне, и да никада не може бити већи од улазног напона (јер је Д≤1).

Прекидачки подизач напона (боост конвертор)

Шема боост конвертора

Као и буцк конвертор и боост конвертор се састоји од два прекидача (транзистор и диода) и два реактивна елемента (калем и кондензатор). Примјењује се тамо гдје добијање великог напона није изводљиво помоћу редног везивања више батерија (нпр. због недостатка простора).

Принцип рада:

• Када је прекидач затворен, повећаће се струја кроз калем, односно акумулисаће се енергија у њему.
• Када је прекидач отворен, једина „путања“ за струју калема је кроз диоду, кондензатор C (који има улогу да одржи излазни напон константним) и потрошач Р.

Сличном анализом као код спуштача напона, за ово коло може се добити:

$D={1-{\frac {V_{i}}{V_{o}}}}$

Из ове једначине се види да је излазни напон увијек већи од улазног и да се повећава са повећањем D, теоретски до бесконачности уколико је D једнако 1.

Прекидачки обртач напона (инвертер регулатор или Буцк-боост конвертор)

Шема прекидачког обртача напона

За разлику од претходна два, овај конвертор може да на излазу даје напон који је или већи или мањи од улазног, једино што је супротног поларитета у односу на улазни (ако је улазни напон био позитиван, излазни је негативан и обрнуто).

Принцип рада је сличан као код претходна два:

• Када је прекидач затворен, диода је инверзно поларисана, па је улазни напонски извор директно повезан са калемом, што ће произвести повећање струје кроз калем, односно акумулацију енергије у њему.
• Када је прекидач отворен, калем ће се „празнити“ кроз диоду (која је сада директно поларисана јер је напон на калему промијенио поларитет у складу са Ленцовим законом), кондензатор и потрошач Р. I код овог кола кондензатор (велике капацитивности) служи да одржи излазни напон константним.

Једноставном анализом се може доћи до:

$D={\frac {V_{o}}{V_{o}+V_{i}}}$

Одавде се закључује да је излазни напон увијек негативан и да може да буде мањи или већи од улазног напона у зависности од фактора испуне D.

Флyбацк конвертор

Шема флyбацк конвертора

Овај конвертор је идентичан буцк-боост конвертору само што је калем замијењен трансформатором ради галванског раздвајања улаза од излаза. Принцип рада је сличан:

• Када је прекидач затворен, примарни намотај трансформатора је директно повезан са извором. Пошто је напон у секундару негативан диода је инверзно поларисана, па ће доћи до повећања магнетног флукса у трансформатору.
• Када је прекидач отворен, енергија из трансформатора се предаје потрошачу (јер је диода сада директно поларисана)

Ћук конвертор

Шема Ћук конвертора

Ћук конвертор се састоји од два калема, два кондензатора, прекидача (транзистора) и диоде. Овај конвертор користи кондензтор за пребацивање енергије са улаза на излаз, за разлику од већине прекидачких извора који за то користе калем. Као и прекидачки обртач напона и овај конвертор може да даје већи или мањи напон од улазног, који је супротног поларитета.

Принцип рада:

• Када је прекидач отворен, диода D је директно поларисана. Због тога је калем L₁ повезан на ред са извором V_и и кондензатором C, па је $V_{L1}=V_{i}-V_{C}$ (ако се занемари пад напона на диоди). Калем L₂ је паралелно везан са кондензатором C_о па је $V_{L2}=V_{o}$.
• Када је прекидач затворен, калем L₁ је директно спојен на извор V_и па је $V_{L1}=V_{i}$. Калем L₂ је редно везан са кондензаторима C и C_о па је $V_{L2}=V_{o}-V_{C}$.

Кондензтор C служи за пребацивање енергије са улаза на излаз, док се калемови Л1 и Л2 понашају као струјни извори који ограничавају струју пуњења кондензатора C и C_о. Да би ово коло радило у устаљеном режиму струје кроз калем морају да буду исте на почетку и крају комутационог периода, а пошто је

$V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}$

закључује се да средње вриједности напона на калемовима морају да буду једнаке нули током комутационог периода. Пошто је прекидач затворен у интервалу времена од т=0 до т=D.Т (D је фактор испуне), а отворен од т=D.Т до т=Т (односно током интервала једнаког (1-D).Т), средње вриједности напона на калемовима су:

${\bar {V}}_{L1}=D\cdot V_{i}+\left(1-D\right)\cdot \left(V_{i}-V_{C}\right)=\left(V_{i}-(1-D)\cdot V_{C}\right)$

${\bar {V}}_{L2}=D\left(V_{o}-V_{C}\right)+\left(1-D\right)\cdot V_{o}=\left(V_{o}-D\cdot V_{C}\right)$

Пошто обе средње вриједности морају да буду једнаке нули добија се из последње једначине:

$V_{C}={\frac {V_{o}}{D}}$

и замјенујуци то у израз за средњу вриједност напона на калему Л1:

${\bar {V}}_{L1}=\left(V_{i}+(1-D)\cdot {\frac {V_{o}}{D}}\right)=0$

односно

${\frac {V_{o}}{V_{i}}}=-{\frac {D}{1-D}}$

$D={\frac {V_{o}}{V_{o}+V_{i}}}$

Види се да је овај израз исти као код прекидачког обртача напона.

Примјена

Пуњач за мобилни телефон

Прекидачки извори се користе као извори напајања у рачунарима, телевизорима и у многим другим апаратима који се користе у домаћинству. Због малих димензија користе се у пуњачима мобилних телефона као и других преносних уређаја. Ови извори често имају широк опсег улазног напона (од 100 до 240В АЦ) да би могли да раде било гдје у свијету.