Spínané zdroje – obecné principy, výhody a nevýhody

Dnes je již obtížné detekovat transformátor na žehličce v jakémkoli domácím spotřebiči nebo napájecím zdroji. V 90. letech se rychle začaly stávat minulostí a ustoupily spínacím měničům nebo spínaným zdrojům (zkráceně SMPS).

Spínané zdroje předčí transformátorové velikostí, kvalitou výsledného stejnosměrného napětí, mají široké možnosti nastavení výstupního napětí a proudu a jsou také tradičně vybaveny ochranou proti přetížení výstupního proudu. A ačkoli se věří, že spínané zdroje jsou hlavními zdroji rušení v domácí síti, jejich rozšířené používání nelze zvrátit.

Spínané zdroje vděčí za svou širokou popularitu polovodičovým spínačům – tranzistorům s efektem pole a Schottkyho diodám. Je to tranzistor s efektem pole, spolupracující s induktorem nebo transformátorem, který je srdcem každého moderního spínaného zdroje: ve střídačích, svařovacích strojích, nepřerušitelných zdrojích napájení, vestavěných napájecích zdrojích pro televizory, monitory atd. – v dnešní době se téměř všude používají pouze obvody pro konverzi impulsů.

Obecný princip činnosti pulzního měniče je založen na zákonu elektromagnetické indukce a v tomto je podobný jakémukoli transformátoru. Jediný rozdíl je v tom, že do běžného síťového transformátoru je střídavé napětí o síťové frekvenci 50 Hz přiváděno přímo na primární vinutí a je přímo převáděno (načež je v případě potřeby usměrněno), zatímco u spínaného zdroje síťové napětí je nejprve usměrněno a převedeno na konstantní a již poté – je převedeno na puls, aby bylo dále zvýšeno nebo sníženo pomocí speciálního vysokofrekvenčního (oproti síti 50 hertzů) schémata.

Obvod spínaného zdroje obsahuje několik hlavních součástí: síťový usměrňovač, spínač (nebo klíče), transformátor (nebo induktor), výstupní usměrňovač, řídicí jednotka a stabilizační a ochranná jednotka. Usměrňovač, spínač a transformátor (tlumivka) jsou základem výkonové části obvodu SMPS, zatímco elektronické jednotky (včetně PWM regulátoru) patří do tzv. budiče.

Síťové napětí je tedy přiváděno přes usměrňovač do kondenzátoru síťového filtru, kde se tak získá konstantní napětí, jehož maximum je od 305 do 340 voltů, v závislosti na aktuálním průměrném napětí v síti (od 215 do 240 voltů ).

Usměrněné napětí je přiváděno do primárního vinutí transformátoru (tlumivky) ve formě impulsů, jejichž opakovací frekvence je obvykle určena obvodem ovládání spínače a doba trvání je určena průměrným proudem napájené zátěže.

Spínač s frekvencí několika desítek až několika stovek kilohertzů připojuje a odpojuje primární vinutí transformátoru nebo induktoru od filtračního kondenzátoru, čímž se obrátí magnetizace jádra transformátoru nebo induktoru.

Rozdíl mezi transformátorem a tlumivkou: u tlumivky jsou fáze akumulace energie ze zdroje jádrem a uvolňování energie z jádra přes vinutí do zátěže časově odděleny, ale v transformátoru k tomu dochází současně .

Tlumivka se používá v měničích bez topologií galvanického oddělení: boost – step-up, step-down – buck, stejně jako v měničích s topologií galvanického oddělení flyback. Transformátor se používá v měničích s galvanickým oddělením těchto topologií: můstek – plný můstek, poloviční můstek – poloviční můstek, push-pull – push-pull, forward – forward.

Spínač může být jednoduchý (převodník zpětný, převodník vpřed, převodník zvyšující nebo snižující bez galvanického oddělení) nebo může výkonová část obsahovat několik přepínačů (half-bridge, bridge, push-pull).

Řídicí obvod klíče (klíčů) přijímá zpětnovazební signál z výstupu zdroje pro napětí nebo napětí a proud zátěže v souladu s velikostí tohoto signálu, šířkou (součinitelem zatížení) pulsu řídícího trvání vodivého stavu; klíče se automaticky upraví.

Zdrojový výstup je uspořádán následovně. Ze sekundárního vinutí transformátoru nebo tlumivky nebo z jediného vinutí tlumivky (mluvíme-li o měniči bez galvanického oddělení) je pulzní napětí přiváděno přes Schottkyho diody plnovlnného usměrňovače do filtračního kondenzátoru. .

Dále je zde napěťový dělič, ze kterého se odebírá signál zpětné vazby napětí a může zde být i proudový snímač. Zátěž je připojena k filtračnímu kondenzátoru přes přídavný výstupní dolní propust nebo přímo.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Jednou z nejdůležitějších jednotek osobního počítače je samozřejmě spínaný zdroj. Pro pohodlnější studium provozu jednotky má smysl zvážit každý z jejích uzlů samostatně, zvláště když vezmete v úvahu, že všechny uzly spínaných zdrojů od různých společností jsou prakticky stejné a plní stejné funkce. Všechny zdroje jsou určeny pro připojení do jednofázové sítě střídavého proudu 110/230 voltů a kmitočtu 50 – 60 hertzů. V domácích sítích skvěle fungují importované jednotky s frekvencí 60 hertzů.

Základním principem činnosti spínaných zdrojů je usměrnění síťového napětí a jeho následná přeměna na střídavé vysokofrekvenční obdélníkové napětí, které je transformátorem sníženo na požadované hodnoty, usměrněno a filtrováno.

Hlavní část obvodu jakéhokoli napájecího zdroje počítače tedy může být rozdělena do několika uzlů, které provádějí určité elektrické transformace. Uveďme seznam těchto uzlů:

• Síťový usměrňovač. Usměrňuje střídavé síťové napětí (110/230 voltů).
• Vysokofrekvenční měnič (Inverter). Převádí stejnosměrné napětí přijaté z usměrňovače na vysokofrekvenční obdélníkové napětí. Jako vysokofrekvenční měnič zařazujeme také výkonový snižovací pulzní transformátor. Snižuje vysokofrekvenční střídavé napětí z převodníku na napětí potřebná k napájení elektronických součástek počítače.
• Řídicí uzel. Je to „mozek“ napájecího zdroje. Zodpovídá za generování řídicích impulsů pro výkonný měnič a také řídí správnou činnost napájecího zdroje (stabilizace výstupních napětí, ochrana proti zkratu na výstupu atd.).
• Mezistupeň zesílení. Slouží k zesílení signálů z čipu PWM regulátoru a jejich přivedení do výkonných klíčových tranzistorů invertoru (vysokofrekvenčního měniče).
• Výstupní usměrňovače. Pomocí usměrňovače dochází k usměrnění – přeměně nízkonapěťového střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Dochází zde také ke stabilizaci a filtraci usměrněného napětí.

To jsou hlavní části napájení počítače. Lze je nalézt v každém spínaném zdroji, od nejjednodušší nabíječky mobilních telefonů až po výkonné svařovací invertory. Rozdíly jsou pouze v základně prvků a implementaci obvodů zařízení.

Poněkud zjednodušeně lze strukturu a propojení elektronických součástek počítačového napájecího zdroje (formát AT) znázornit následovně.

O všech těchto částech obvodu bude řeč později.

Podívejme se na schéma spínaného zdroje pro jednotlivé uzly. Začněme síťovým usměrňovačem a filtrem.

Přepěťový filtr a usměrňovač.

Zde vlastně začíná napájení. S napájecím kabelem a zástrčkou. Zástrčka se samozřejmě používá podle „evropské normy“ s třetím zemnícím kontaktem.

Je třeba poznamenat, že mnoho bezohledných výrobců, aby ušetřilo peníze, neinstaluje kondenzátor C2 a varistor R3 a někdy i filtrační tlumivku L1. To znamená, že existují sedadla a také tištěné stopy, ale nejsou tam žádné části. No, je to jako tady.

Jak přísloví praví: „bez komentáře „.

Při opravách je vhodné uvést filtr do požadovaného stavu. Rezistory R1, R4, R5 slouží jako svodiče pro filtrační kondenzátory po odpojení jednotky od sítě. Termistor R2 omezuje amplitudu nabíjecího proudu kondenzátorů C4 a C5 a varistor R3 chrání zdroj před rázy v síťovém napětí.

Za zvláštní zmínku stojí přepínač S1 („230/115“). Když je tento spínač sepnutý, je napájecí zdroj schopen provozu ze sítě s napětím 110 voltů. Výsledkem je, že usměrňovač pracuje podle obvodu pro zdvojení napětí a jeho výstupní napětí je dvojnásobkem napětí sítě.

Pokud je nutné, aby napájení fungovalo ze sítě 220 V, je spínač S230 otevřen. V tomto případě usměrňovač pracuje podle klasického zapojení diodového můstku. U tohoto spínacího obvodu se napětí nezdvojnásobuje, a to není nutné, protože jednotka pracuje ze sítě 1 V.

Některé napájecí zdroje nemají přepínač S1. V jiných je umístěn na zadní stěně pouzdra a označen výstražným štítkem. Není těžké uhodnout, že pokud S1 zavřete a zapnete napájení do 220voltové sítě, skončí to v slzách. Díky zdvojnásobení výstupního napětí dosáhne hodnoty asi 500 voltů, což povede k poruše obvodových prvků měniče.

Proto byste měli věnovat větší pozornost přepínači S1. Pokud je napájecí zdroj určen k použití pouze ve spojení s 220voltovou sítí, může být zcela odstraněn z okruhu.

Obecně platí, že všechny počítače přicházejí do naší distribuční sítě již přizpůsobené na jejich původních 220 voltů. Spínač S1 buď chybí, nebo je přepnut na provoz v síti 220 V. Ale pokud máte příležitost a touhu, je lepší zkontrolovat. Výstupní napětí dodávané do dalšího stupně je asi 300 voltů.

Spolehlivost napájecího zdroje můžete zvýšit malým upgradem. Varistory stačí zapojit paralelně s odpory R4 a R5. Varistory by měly být vybrány pro klasifikační napětí 180 voltů. Toto řešení může chránit napájecí zdroj, pokud je spínač S220 náhodně sepnut a jednotka je připojena k síti 1 V. Další varistory omezí napětí a pojistka FU220 se přepálí. V tomto případě lze po jednoduchých opravách zdroj vrátit do provozu.

Kondenzátory C1, C3 a dvouvinutá tlumivka na feritovém jádře L1 tvoří filtr schopný chránit počítač před rušením, které může proniknout do sítě a zároveň tento filtr chrání síť před rušením vytvářeným počítačem.

Možné poruchy síťového usměrňovače a filtru.

Typickými poruchami usměrňovače je porucha jedné z „můstkových“ diod (vzácné), i když existují případy, kdy shoří celý diodový můstek, nebo únik elektrolytických kondenzátorů (mnohem častěji). Navenek se to vyznačuje bobtnáním krytu a únikem elektrolytu. Skvrny jsou velmi nápadné. Pokud se porouchá alespoň jedna z diod usměrňovacího můstku, zpravidla se přepálí pojistka FU1.

Při opravách obvodů síťového usměrňovače a filtrů mějte na paměti, že tyto obvody jsou pod vysokým napětím, život ohrožující ! Dodržujte elektrická bezpečnostní opatření a před prací nezapomeňte násilně vybít vysokonapěťové elektrolytické kondenzátory filtru!