Výběr napájecího zdroje – E-core
Článek se bude zabývat výběrem napájecího zdroje (který se připojuje do sítě 230V nebo 400V AC).
Zdrojem se rozumí jak samostatné zařízení (adaptér), tak i součást zařízení. Transformátorový zdroj je zdroj založený na nízkofrekvenčním transformátoru. Impulsním rozumíme napájecí zdroj s obvodem pro generování vysokofrekvenčních impulsů a vysokofrekvenčním transformátorem (tlumivka v případě flybacku).
Zařízení tedy navrhujete nebo už nějaké máte a potřebujete napájet ze sítě, tzn. potřebovat napájení. Jaký zdroj zvolit: transformátor nebo pulzní? Zde nelze jednoznačně odpovědět; každý typ napájecího zdroje má své výhody, nevýhody a vlastnosti a o nich budeme hovořit v tomto článku.
Porovnáme a vybereme napájecí zdroj podle následujících hlavních kritérií:
— odpojení od sítě;
— pulsace a interference;
— stabilita výstupního napětí.
Odpojení od sítě
Předpokládá se, že zvolený zdroj zajišťuje galvanické oddělení od sítě. Který z těchto dvou typů napájecích zdrojů zajistí maximální izolaci?
Na první pohled je volba zřejmá – transformátorový zdroj, protože spínaný zdroj obsahuje Y kondenzátor (nebo dokonce několik) mezi vstupem a výstupem.
Teoreticky napájecí zdroj transformátoru poskytuje úplnou izolaci od sítě, ale v praxi tomu tak vždy není, zejména u toroidních transformátorů.
Při výrobě toroidních transformátorů se sekundární vinutí navine na primární a mezi nimi se vytvoří parazitní kondenzátor. V tomto případě je na parazitní kondenzátor přivedeno střídavé síťové napětí.
Bohužel výrobci hodnotu mezivinutí kapacity transformátorů nijak nenormalizují a lze ji zjistit až skutečným měřením „na místě“. Obecným trendem je, že čím vyšší výkon (velikost) transformátoru, tím vyšší kapacita mezi vinutími. Na hodnotu mezivinutí kapacity má kromě velikosti transformátoru vliv i kvalita izolace.
Například níže uvedená fotografie ukazuje výsledky měření kapacity mezi vinutími různých toroidních transformátorů. Kapacita byla měřena RLC metrem E7-22 při frekvenci 120 Hz.
U transformátorů tvaru W jsou obvykle primární a sekundární vinutí rozděleny do samostatných sekcí, takže hodnota kapacity mezi vinutími je mnohem menší.
Vraťme se ke spínání zdrojů. Typická hodnota kapacity Y kondenzátoru mezi vstupem a výstupem je 2,2 nF. Často se můžete setkat s vyšší hodnotou do 4,7 nF, méně často s nižší hodnotou 1 nF.
Zdroj s výkonným toroidním transformátorem mezi vstupem a výstupem tak může mít kapacitu srovnatelnou nebo i větší než u kvalitního spínaného zdroje. Současně je známá přítomnost kapacity ve spínaném zdroji, ale tato vlastnost toroidního transformátoru není obvykle nikde uvedena.
Proč je tento kontejner „škodlivý“?
Za prvé, parazitní potenciál na výstupu vzhledem k zemi. Tento potenciál může být desítky voltů a pokud se dotknete výstupu napájecího zdroje (nebo jím napájeného zařízení) uzemněnou páječkou nebo jednoduše rukou, dojde k poruše zařízení.
U spínaných napájecích zdrojů, aby se snížil výstupní potenciál vzhledem k zemi a dále se snížilo rušení, jsou mezi výstupem a zemí instalovány kondenzátory. Doporučená celková kapacita kondenzátorů není větší než 20 nF.
Vzhledem k tomu, že uvedené kondenzátory nejsou instalovány ve všech spínaných zdrojích a hodnota mezivinutí kapacity pro toroidní transformátory není standardizována, doporučuje se při jejich použití zkontrolovat přítomnost parazitního potenciálu na výstupu. K tomu lze použít multimetr v režimu měření střídavého napětí a při zapnutém zdroji vzít jednu sondu do ruky (nebo ji připojit k zemi) a druhou připojit k výstupu zdroje.
Dalším negativním dopadem vinutí kapacity je pronikání rušení sítě. Spínané zdroje jsou v tomto případě ve výhodnější poloze, protože Ve většině případů mají nainstalovaný vstupní filtr. Tento filtr zabraňuje vstupu rušení do sítě ze spínaného zdroje a naopak.
Celkový. Při výběru zdroje, pokud požadujete maximální izolaci od sítě, je lepší použít transformátorový zdroj s jádrem III a oddělenými vinutími. Je třeba vzít v úvahu, že W transformátor má větší rozptylové pole a může indukovat rušení 50 Hz. V některých zvláště citlivých zařízeních jsou instalovány dva toroidní transformátory v sérii, což zajišťuje vysokou izolaci a nízké rušení 50 Hz.
Zvlnění a rušení
Pojmy zvlnění a interference jsou si velmi blízké a mohou mít různé interpretace. V tomto článku se zvlnění týká kolísání napětí / proudu způsobené přírodními procesy. Interferencí se rozumí kolísání napětí/proudu (přepětí) způsobené různými „parazitními“ jevy. Například: kolísání napětí na výstupu zdroje za usměrňovačem a LC filtrem – zvlnění. Napěťové rázy způsobené spínacími spínači jsou rušení. Jiný příklad: kolísání napětí na výstupu zdroje transformátoru za usměrňovačem a filtrem o frekvenci 100 Hz – zvlnění indukované rozptylovým polem – kolísání napětí v obvodu – rušení. Zhruba řečeno, rušení je nepřirozené (rušivé) kolísání napětí.
Tato klasifikace nemusí být zcela vědecká a správná, umožňuje nám však zjednodušit prezentaci materiálu.
Nejprve se vypořádejme s pulzacemi.
V případě transformátorového zdroje je zvlnění výstupního napětí obvykle vyšší než u spínaného (stabilizovaného) zdroje. To je způsobeno nízkou frekvencí napěťových impulsů na výstupu usměrňovače napájení transformátoru. Nízkofrekvenční zvlnění napájecího zdroje transformátoru je však účinně potlačeno analogovými obvody (operační zesilovače, lineární stabilizátory atd.). Frekvence zvlnění spínaného zdroje je desítky a dokonce stovky kilohertzů. Stupeň potlačení takovýchto vysokofrekvenčních vlnění v napájení analogových obvodů je mnohem menší a mohou „pronikat“ do jejich výstupu. Například v obvodu vstupní cesty ADC na operačním zesilovači může zvlnění napájecího zdroje překrývat užitečný signál. Pro potlačení vysokofrekvenčního zvlnění v napájecích obvodech operačních zesilovačů se často používají RC filtry: rezistor s odporem 10-100 Ohmů a keramický kondenzátor o kapacitě 0,1-10 μF. Pokud je nutné snížit zvlnění spínaného zdroje v silovém obvodu, pak se používají přídavné LC filtry.
S rušením je situace mnohem horší.
Pokud lze velikost zvlnění více či méně analyzovat ve fázi návrhu, pak je obtížné odhadnout velikost interference.
V případě transformátorového napájení je rušení vytvářeno svodovým polem transformátoru u toroidních transformátorů a u transformátorů tvaru W větší. Tímto rušením trpí zejména analogové obvody, které zpracovávají nízkoúrovňové signály (přesné multimetry, audio zesilovače, rádiová zařízení). Pro potlačení rušení od nízkofrekvenčního transformátoru se používají stínící pláště (plášť) z oceli nebo cínu.
U spínaných zdrojů vzniká hlavní šum při spínání tranzistorů a obnově diod. Potlačování těchto interferencí je velmi široké a dosti nudné téma. Mnohem užitečnější bude zvažovat topologie (typy) spínaných zdrojů z hlediska generování šumu.
Spínané zdroje Flyback jsou z hlediska rušení nejhorší volbou. Tyto spínané napájecí zdroje jsou mimo jiné nejvíce náchylné na silný pulzní šum. K návrhu a výběru takového zdroje je třeba přistupovat opatrněji, zvláště pokud se jeho výkon pohybuje v desítkách wattů.
Polomůstkové a celomůstkové spínané zdroje jsou nejlepší volbou z hlediska rušení. Zdroje této topologie mají obvykle nižší hlučnost. Speciálním případem polomůstkových a můstkových spínaných zdrojů jsou rezonanční obvody, ve kterých jsou tranzistory spínány při nulovém napětí nebo proudu, čímž dochází k minimálnímu rušení.
Jiné topologie spínaných zdrojů zaujímají mezipolohu mezi obvody flyback a half-bridge (most).
Tato klasifikace by neměla být brána doslovně, množství rušení silně závisí na implementaci a při špatném provedení může rezonanční obvod „šumit“ více než dobře navržený a vyrobený flyback.
Celkový. Při výběru zdroje je třeba vzít v úvahu, že rušení od spínaných zdrojů je větší než od transformátorových, ale rušení od spínaných zdrojů je vyšší frekvence (obvykle desítky megahertzů) a krátkého trvání. Pokud je rušení z transformátorové jednotky slyšet v doslovném smyslu, pak rušení ze spínaných zdrojů lze vidět pouze osciloskopem. To neznamená, že rušení ze spínaných zdrojů může být ignorováno, jeho silná úroveň může narušit činnost digitálních obvodů a způsobit rušení rádia. Je ale třeba mít na paměti, že v mnoha případech nevýznamná míra rušení dobře navrženým spínaným zdrojem nemá zásadní vliv na provoz zařízení (a sousedních zařízení).
Stabilita výstupního napětí
Vybereme zdroj pro konkrétní zařízení a ten má rozsah vstupního napětí, při kterém bude správně fungovat.
Napětí na výstupu napájecího zdroje transformátoru se může ve značném rozsahu měnit. Změny napětí jsou způsobeny jak změnami napájecího napětí, tak změnami zátěže. Závislost výstupního napětí na zátěži je zvláště silná u transformátorů s nízkým výkonem.
Uvažujme příklad transformátorové jednotky na transformátoru TP-121-4.
Zdrojová data:
— jmenovité výstupní napětí transformátoru při volnoběhu 16,4V;
— jmenovité výstupní napětí transformátoru při zatížení je 11,2V.
— odchylka síťového napětí +-10 % (GOST 29322-2014).
Maximální napětí na výstupu napájecího zdroje bude v klidovém stavu při maximálním síťovém napětí. Uvažujeme Uout = 16,4*1,1*1,4 = 25,3V.
Minimální napětí na výstupu zdroje bude při maximální zátěži a minimálním síťovém napětí. Uvažujeme Uout = 11,2*0,9*1,4=14,1V. Ve skutečnosti při zatížení bude napětí ještě nižší kvůli poklesu napětí na diodách a kvůli skutečnosti, že skutečná amplituda proudových impulsů ve vinutí bude vyšší než jmenovité hodnoty (kapacita usměrňovače je nabité krátkými pulzy) a proto bude úbytek napětí na vinutích vyšší než vypočtené.
Z výpočtu vyplývá, že napětí na výstupu transformátorového zdroje se výrazně mění v závislosti na zátěži a síťovém napětí, v uvažovaném příkladu téměř dvakrát. Pokud chcete získat stabilnější (pevné) napětí, pak je nutné použít další stabilizátory napětí. Při použití lineárních stabilizátorů dochází vlivem velkého rozptylu vstupního napětí ke značným tepelným ztrátám. Při použití pulzních snižujících převodníků jsou ztráty výrazně nižší, ale zvětšují se rozměry a náklady a přidává se potřeba dodatečného filtrování zvlnění vf pro citlivé analogové obvody.
Napětí na výstupu spínaného zdroje je stabilizované (pokud se jedná o stabilizovaný zdroj a ne „elektronický transformátor“ na IR2153, při změně zátěže nebo napětí sítě se výstupní napětí mírně mění); Pokud má blok několik výstupů, pak se stabilizační obvod uzavře podle nejvýkonnějšího z nich a poté se podmíněně stabilizují zbývající (další) kanály. Napětí na přídavných výstupech se mění v závislosti na zátěži, ale tyto změny nejsou tak výrazné jako u transformátorové jednotky, obvykle kolísání napětí nepřesahuje +-0,5V a pokud jsou tyto výkyvy kritické, lze nainstalovat další stabilizátor, a jmenovité napětí lze zvolit tak, aby tepelné ztráty byly zanedbatelné.
Celkový. Napětí na výstupu transformátorového zdroje se výrazně mění v závislosti na napětí sítě a zatížení, zejména u jednotek s nízkým výkonem. U spínaných zdrojů je výstupní napětí pro hlavní kanál (přes který je uzavřen stabilizační obvod) stabilizováno a změna napětí v dalších kanálech je nevýznamná. To vám umožní snížit celkový počet stabilizátorů v okruhu a v některých případech je úplně odstranit.
Závěr
Při výběru napájecího zdroje se doporučuje dodržovat následující pravidla.
Transformátorové zdroje jsou výhodné pro napájení zařízení s nízkou spotřebou, která vyžadují dobré galvanické oddělení od sítě, minimální zvlnění a rušení. Při použití transformátorových zdrojů je třeba počítat s výraznou změnou výstupního napětí při změně síťového napětí a zátěže. Transformátor ve tvaru W poskytuje větší galvanické oddělení od sítě ve srovnání s toroidním, ale má větší rozptylové pole a může vyžadovat stínění v citlivých obvodech.
Spínané zdroje je třeba vybírat pečlivě a upřednostňovat kvalitní a osvědčené modely. Rušení z dobře navržených a vyrobených spínaných zdrojů nebude mít ve většině případů na zařízení významný dopad. Při napájení analogových obvodů může na jejich výstup pronikat vysokofrekvenční zvlnění spínaných zdrojů, v těchto případech se používají přídavné RC nebo LC filtry. Při výběru výkonného spínaného zdroje (více než 100W) by měla být dána přednost polomůstkovým a mostovým topologiím.
Obecně závěr z článku je, že spínané zdroje jsou ve většině případů lepší než transformátorové. Při současné úrovni technologie to platí, pokud je spínaný zdroj kvalitní. Ale pro jednorázová nebo maloobjemová zařízení se z hlediska nákladů na vývoj může ukázat jako výhodnější transformátorový zdroj se všemi svými nedostatky, zejména ve spojení se snižujícím stabilizátorem.
