ZASILACZE i TRANSFORMATORY IMPULSOWE
Dostępność nowych materiałów magnetycznych dla transformatorów pracujących w obszarze częstotliwości do około 1MHz, oraz postęp który nastąpił w dziedzinie zasilaczy, dał bodziec do rozwoju nowych transformatorów wysokich częstotliwości.
Tendencja ta spowodowała rozwój w technologii nowych Ferrytów Mn-Zn z bardzo małymi strukturami ziaren lub materiałów ze zredukowanymi stratami histerezy, co umożliwia transmisję mocy w obszarze od 1 do 3 MHz . Wysokie częstotliwości pracy wpływają na dalszą redukcję wymiarów rdzeni a przez to i całych zasilaczy. Nowa zasada projektowania w technologii planarnej czyni możliwymi do wykonania transformatory wysokiej częstotliwości o diametralnie zredukowanych wymiarach (transformatory płaskie, transformatory nisko profilowe). Owa technologia będzie mieć silny wpływ na rozwój konwerterów DC-DC, AC-DC, a także na produkcję hybrydowych zasilaczy impulsowych.
1.Przy projektowaniu transformatorów impulsowych DC-DC zostały postawione następujące wymagania:
ˇ wysoka wydajność
ˇ małe rozmiary
ˇ minimalne napięcie pracy
ˇ niski wskaźnik powstających zakłóceń
ˇ niski prąd jałowy
2.Zanim zaprezentujemy nasze transformatory wysokiej mocy na rdzeniach EE , EFD , ETD , i na rdzeniach toroidalnych, wyjaśnimy podstawowe zasady obwodów dla zasilaczy SMPS.
W zasilaczach konwencjonalnych, zmiana napięcia i separacja galwaniczna były realizowane na transformatorze z rdzeniem stalowym, pracującym przy częstotliwości 50Hz, prostowniku półprzewodnikowym oraz na liniowym stabilizatorze napięcia .
Jednakże efektywność tego układu jest bardzo niska (nie przekracza 50%) , ogromna część mocy jest zamieniana w transformatorze, w diodzie i stabilizatorze analogowym na ciepło.
Konwencjonalnie regulowany układ zasilacza: |
 |
Nowoczesne zasilacze SMPS (rys.poniżej) są oparte na takiej właśnie zasadzie. Ich funkcją jest zamiana napięcia sieciowego na napięcie stałe a następnie wysokie napięcia kluczowane jest szybko przełączającymi tranzystorami. Efektem tego jest napięcie prostokątne wysokiej częstotliwości którego wartość jest zamieniana w transformatorze impulsowym i prostowana w zależności od zastosowania.
Podstawa funkcjonowania układu zasilacza SMPS: |
 |
Najważniejszymi zaletami SMPS porównywalnymi z konwencjonalnymi zasilaczami są:
ˇ niska waga, zredukowana objętość, poprawiona wydajność (tabela poniżej)
ˇ mała pojemność kondensatorów filtrujących dla wysokich częstotliwości załączania
ˇ brak słyszalnych zakłóceń, co spowodowane jest tym że częstotliwość załączania znajduje się poza obszarem
słyszalności
ˇ prosta obsługa różnych wyjść napięciowych
ˇ łatwe regulowanie dużych napięć sieciowych
| SMPS |
Konwencjonalne zasilacze mocy |
|
Waga/kg |
2kg/100W |
6kg/100W |
Objętość |
1,5dmł/100W |
7,5dmł/100W |
Sprawność |
80-98% |
30-50% |
Wraz z rozwojem szybko załączających tranzystorów dużej mocy dla wysokich częstotliwości stało się możliwe stosowanie SMPS pracujących przy częstotliwości aż do 1 MHz. Przy tego typu transformatorach rezonansowych częstotliwości pracy mogą być podwyższone nawet do 3 MHz. Niemniej jednak zalety te są pomniejszane przez niepożądane silniejsze promieniowanie wysokiej częstotliwości jak również niższą prędkość reakcji przy ewentualnych zmianach obciążenia.
Jako producent elementów indukcyjnych jesteśmy w stanie dostarczyć właściwe elementy indukcyjne do wszystkich układów zasilaczy impulsowych powszechnego użytku, takich jak:
ˇ transformatory mocy
ˇ dławiki magazynujące energię
ˇ transformatory sterujące
ˇ dławiki przeciwzakłóceniowe
Dzięki naszym badaniom w dziedzinie zasilaczy elektronicznych jesteśmy w stanie doradzić Państwu w projektowaniu transformatorów SMPS.
Zasady działania zasilaczy SMPS.
Różne typy zasilaczy stosowane są w zależności od wymaganej mocy wyjściowej.
Kryteria wyboru dla różnych rodzajów transformatorów: |
 |
ˇ flyback
ˇ forward jedno-impulsowe
ˇ push/pull
ˇ rezonansowe(tylko dla wyższych częstotliwości)
Zalety różnorodnych typów transformatorów przedstawia następująca tabela:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Różne rodzaje obwodów transformatorów:
Transformatory flyback.
Wykres poniżej ilustruje podstawowe przebiegi prądu i napięcia dla transformatora typu flyback
W pierwszej fazie cyklu, klucz podłącza dławik L bezpośrednio do napięcia wejściowego. Dzięki stałemu napięciu wejściowemu Ue, prąd który wzrasta liniowo przepływa przez dławik.
W tej fazie dioda D jest blokowana. Gdy klucz S otwiera się, polaryzacja na dławiku jest odwracana, tak że dioda otwiera się a energia zmagazynowana w dławiku jest przekazywana do kondensatora ładującego CLi obciążenia Rl. Dławik zachowuje się jak źródło energii. Tak więc poprzez regulację czasu ładowania tinput, przy, danej częstotliwości możliwe jest zróżnicowanie energii zmagazynowanej w dławiku
W celu uzyskania separacji galwanicznej pomiędzy wejściem a wyjściem obwodu, dławik jest zastąpiony przez transformator (ilustracja poniżej). Ten element występuje jako pośredni magazyn energii, tak też obwód obciążeniowy może używać energii zmagazynowanej w transformatorze i nie dochodzi do bezpośredniego obciążenia źródła zasilania.
Warunkiem magazynowania energii jest to, aby rdzeń transformatora posiadał szczelinę powietrzną w środkowej kolumnie, albo przekładkę izolacyjną między obydwoma połówkami rdzenia (co daje ten sam efekt co szczelina powietrzna w środkowej kolumnie rdzenia), przy czym zastosowanie szczeliny powietrznej w środkowej kolumnie rdzenia zapewnia lepsze sprzężenie między uzwojeniami
| Podstawowy układ zasilacza typu flyback |
 |
| Układ zasilacza typu flyback z transformatorem: |
 |
Poniższa ilustracja pokazuje podstawowy układ transformatora typu forward. Gdy klucz S jest zamknięty wówczas prąd który wzrasta liniowo przepływa przez cewkę wprost do kondensatora Ca i do obciążenia Rl. W tej fazie energia jednocześnie transportowana jest do dławika i do obciążenia. Dioda D jest blokowana. Gdy klucz otwiera się pole magnetyczne dławika zostaje przerwane. Polaryzacja dławika zostaje obrócona powodując tym samym otwarcie się diody. Energia z dławika dostarczana jest przez diodę do kondensatora i do obciążenia. Ponieważ transport energii do układu wyjściowego odbywa się również podczas gdy klucz jest zamknięty typ tego transformatora nazywany jest forward Analogicznie do transformatorów typu flyback energia w tym typie zasilaczy magazynowana w dławiku może być zmieniona przez różne czasy kluczowania.
Wykres poniższy przedstawia rozbudowany zasilacz typu forward wraz z transformatorem dla separacji i zamiany napięcia sieci. Przy zastosowaniu rdzenia bez szczeliny powietrznej utrzymywane jest stałe sprzężenie magnetyczne jest pomiędzy uzwojeniem pierwotnym a wtórnym. Jednakże gromadzenie i wygładzanie prądu wyjściowego musi być realizowane w oddzielnym dławiku magazynującym energię Ls dla każdego napięcia wyjściowego oddzielnie. Energia magazynowana przez transformator podczas fazy przewodzenia jest transportowana do L1, D3, Ce w fazie blokowania. Dioda otwiera się dzięki zmianie polaryzacji dławika magazynującego energię.
Podstawowy układ zasilacza typu forward : |
 |
Zasilacz typu forward z transformatorem: |
 |
Przełączniki S1i S2naprzemiennie łączą uzwojenie pierwotne z źródłem Ue.W porównaniu z transformatorem typu flyback, i forward ta konfiguracja oferuje możliwość pracy na pełnej pętli histerezy. Dzięki układowi bipolarnemu możliwe jest uzyskanie dwukrotnie większej mocy przy tej samej wielkości rdzenia.
Nawet przy dużych zmianach obciążenia transformator typu push/pull generuje symetryczne napięcie wyjściowe co czyni możliwym bezpośrednie użycie napięcia zmiennego bez wcześniejszego prostowania, stosowane na przykład w oświetleniu halogenowym.
| Podstawowy układ zasilacza typu Push/pull: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Transformator typu Push/pull: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kryteria wyboru różnych wariantów układu zasilacza
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
