FERYSTER® ZASILACZE i TRANSFORMATORY IMPULSOWE


ZASILACZE i TRANSFORMATORY IMPULSOWE

Tendencja światowa idąca w kierunku ciągle wzrastającej wydajności i postępującej miniaturyzacji mająca miejsce w dziedzinie technologii urządzeń elektronicznych , doprowadziła w ostatnich latach do zastąpienia konwencjonalnych zasilaczy sieciowych, przez nowoczesne zasilacze impulsowe (zwane dalej SMPS).

    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:
zasilacz
Zalecana nominalna moc wyjściowa wymaga ponad wymiarowego transformatora sieciowego i dużych możliwości odprowadzania traconej mocy w postaci ciepła. Owej niedogodności można uniknąć poprzez zwiększenie częstotliwości pracy do zakresu kilkuset kHz i zastąpienie regulatora napięcia, przez klucz elektroniczny inteligentnie sterowany.

    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:
zasilacz impulsowy SMPS
    Stabilizacja mocy wyjściowej jest osiągana przez zmianę szerokości impulsu, przy stałej częstotliwości lub przez załączanie kluczowania w pewnych okresach czasu w zależności od chwilowego obciążenia układu.

     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:
transformatory
    Główne typy transformatorów:

     ˇ flyback
     ˇ forward jedno-impulsowe
     ˇ push/pull
     ˇ rezonansowe(tylko dla wyższych częstotliwości)

     Zalety różnorodnych typów transformatorów przedstawia następująca tabela:


 kryteria wyboru

rodzaje transformatorów

 

transformator typu flyback

jedno-impulsowy transformator typu forward

push/pull transformator typu forward

prostota obwodu

korzystne

przeciętne

niekorzystne

liczba elementów

korzystne

przeciętne

niekorzystne

zakres poziomu mocy

korzystne

przeciętne

niekorzystne

zniekształcenia napięcia wyjściowego

niekorzystne

przeciętne

korzystne

objętość

niekorzystne

przeciętne

korzystne

wysoka moc 

niekorzystne

przeciętne

korzystne

wysokie napięcie

korzystne

przeciętne

przeciętne

różnorodne wyjścia

korzystne

przeciętne

przeciętne


    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
Układ zasilacza typu flyback z transformatorem:

flyback
    Transformatory typu forward

     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 :
forward
Zasilacz typu forward z transformatorem:
transformator + forward
W zasadzie transformatory typu push/pull składają się z dwóch sprzężonych ze sobą transformatorów (ilustracja poniżej).

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:
push pull
Transformator typu Push/pull:

transformator push pull


Kryteria wyboru różnych wariantów układu zasilacza

nr Single transistor forward converter zalety wady
1. forward

- łatwe rozmagnesowanie rdzenia

- niewielki koszt

- napięcie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue

- konieczne uzwojenie rozmagnesowujące

- konieczne dobre sprzężenie magnetyczne między uzwojeniem pierwotnym i rozmagnesowującym

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Push-pull converter zalety wady
2. forward - napięcie sterujące tranzystory ma jednakową wartość

- napięcie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue

- problemy związane z symetryzacją

- konieczne dobre sprzężenie magnetyczne między uzwojeniami pierwotnymi

- niebezpieczeństwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Two transistor forward converter zalety wady
3. forward

- napiącia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue

- łatwe rozmagnesowanie rdzenia

- transformator może mieć dużą indukcyjność rozproszenia

- napięcia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie
 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Single-ended push-pull converter zalety wady
4. forward

- napiącia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue

- transformator może mieć dużą indukcyjność rozproszenia

- problemy związane z symetryzacją

- niebezpieczeństwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów

- napięcia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Full-bridge push-pull converter zalety wady
5. forward

- napiącia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue

- transformator może mieć dużą indukcyjność rozproszenia

- problemy związane z symetryzacją

- niebezpieczeństwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów jednej gałęzi mostka

- napięcia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Flyback converter zalety wady
6. forward

- jednocześnie można regulować wiele napięć wyjściowych

- duży zakres regulacji przy zmianach napięcia wejściowego

- napięcie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue

- silne obciążenie kondensatora i diody na wyjściu

- konieczne dobre sprzężenie magnetyczne

- konieczny rdzeń o dużym przekroju ze szczeliną powietrzną

- problemy związane z promieniowaniem elektromagn. i prądami wirowymi

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
  W przypadku trapezowego przebiegu prąu w tranzystorze bądź w uzwojeniu pierwotnym.    

nr Buck converter zalety wady
7. forward

- napiącia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue

- prosty dławik

- nie występują problemy ze sprzężeniem magnetycznym

- niewielkie obciążenie kondensatora wejściowego

- możliwy współczynnik wypełnienia Twt/T=1

- brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem

- napięcie sterujące musi być "pływające"

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Boost converter zalety wady
8. forward

- prosty dławik

- nie występują problemy ze sprzężeniem magnetycznym

- napięcie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds@Ua>Ue

- brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem

- średnie obciążenie kondensatora wyjściowego

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Buck-boost converter zalety wady
9. forward

- prosty dławik

- nie występują problemy ze sprzężeniem magnetycznym

- napięcie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds@Ua+Ue

- brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem

- silne obciążenie kondensatora wyjściowego

- napięcie sterujące musi być "pływające"

- napięcie wyjściowe jest ujemne względem napięcia wejściowego

 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
       

nr Flyback converter zalety wady
10. forward

- podwyższa i obniża napięcie z zachowaniem separacji galwanicznej wejścia z wyjściem (układ identyczny z nr 6)

patrz nr 6
 
forward
  • Twt/T - współczynnik wypełnienia

  • a - przebieg napięcia na tranzystorze
  • b - prąd wyjściowy
  • c - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
  • d - przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy
  W przypadku trójkątnego przebiegu prądu przepływającego przez tranzystor bądź uzwojenie pierwotne.    

back             next