Co je to spínací regulátor?

Spínaný zdroj napájení (UPS) je zdroj napájení, který obsahuje vysoce účinný obvod pro přeměnu energie nazývaný spínaný regulátor.

Elektronická zařízení s integrovanými obvody a mikrokontroléry vyžadují stabilní stejnosměrný proud s minimálními kolísáními napětí. Existují dva typy regulovaných napájecích zdrojů: lineární napájecí zdroje a spínané regulátory, ale lineární napájecí zdroje jsou nejběžnější.

V případě lineárních napájecích zdrojů je obvod jednoduchý. Převádí 100 V střídavého proudu na stejnosměrný střídavý proud a usměrňuje střídavý proud pomocí vlastnosti diody protékat vpřed, ale ne zpět. K jeho vyhlazení také používá kondenzátor. To však mělo nevýhodu v tom, že nebylo možné zmenšit nebo zefektivnit napájecí zdroje.

Spínané regulátory tento problém vyřešily. Zatímco lineární napájecí zdroje převádějí komerční střídavý proud na napětí a poté jej usměrňují, spínané regulátory dělají pravý opak: usměrňují komerční střídavý proud na stejnosměrný proud a poté jej převádějí na napětí.

Poté se zapínáním a vypínáním přemění na pulzní střídavý proud a přivede se do vysokofrekvenčního transformátoru, což je mechanismus regulace pulzů.

Zvláštností spínaných napájecích zdrojů je, že jsou menší a lehčí, ale jejich obvody jsou složitější.

Aplikace pulzních regulátorů

Ve srovnání s konvenčními lineárními napájecími zdroji mají spínané regulátory mnohem složitější zapojení, ale mají výhodu v tom, že jsou extrémně kompaktní díky použití integrovaného obvodu pro stabilizační obvod.

Není instalován velký a těžký výkonový transformátor (zařízení, které využívá elektromagnetickou indukci k transformaci výšky střídavého napětí) jako v případě jednoduchého zdroje napájení, což snižuje jeho velikost a hmotnost.

Díky této kompaktnosti a nízké hmotnosti se spínané regulátory používají i v síťových adaptérech pro mobilní telefony. Jsou také vhodné pro malá elektronická zařízení, jako jsou počítače a tablety, které se často přenášejí s sebou.

V poslední době byly pro další podporu miniaturizace do spínacích regulátorů pro síťové adaptéry začleněny vysoce výkonné a vysoce účinné GaN součástky, aby se dosáhlo ještě menších AC adaptérů ve srovnání s konvenčními křemíkovými součástkami.

Princip fungování pulzních regulátorů

Princip fungování spínaných regulátorů je opačný než u konvenčního lineárního napájecího zdroje. Lineární napájecí zdroje používají transformátor k přeměně běžného proudu na napětí a jeho následnému usměrnění, zatímco spínané regulátory nejprve usměrní střídavý proud na stejnosměrný a poté jej převedou na napětí. Po usměrnění však transformátor nemůže provést převod napětí.

Ve spínacích regulátorech se tedy usměrněný proud převádí na pulzně orientovaný střídavý proud pomocí vysokorychlostního spínání polovodičových prvků, jako jsou tranzistory a MOSFETy, a poté se přivádí do vysokofrekvenčního transformátoru. To zvyšuje počet potřebných součástek a obvodů a činí je složitějšími, ale tato složitost je klíčem ke spínacím regulátorům.

Existuje několik typů metod řízení spínaných regulátorů, z nichž nejběžnější je metoda PWM (modulace šířky impulsů). PWM je metoda stabilizace napětí úpravou doby cyklu zapnutí/vypnutí nebo šířky pulzní vlny tak, aby plocha každého impulsu byla stejná. Lze také říci, že spínané regulátory zlepšují účinnost, protože výstup lze nastavit zapínáním a vypínáním.

Navíc, protože impulsy spínacích regulátorů jsou vysokofrekvenční, v rozsahu desítek až stovek kHz, může být transformátor malý a lehký. Vysoké frekvence však zvyšují ztráty v železném jádru, proto se používá feritové jádro. To zlepšuje účinnost napájecího zdroje a šetří energii.

Feritové jádro má jádrovou tyč vyrobenou z materiálu zvaného ferit, která je připevněna ke kabelu tak, že se ovíjí kolem něj. Absorbuje magnetické pole vytvořené vysokofrekvenčním šumovým proudem protékajícím kabelem a přeměňuje ho na teplo, čímž snižuje hluk.

Slabou stránkou spínacích regulátorů je generování šumu v důsledku vysokorychlostního spínání, který by měl být snížen feritovou technologií.

Další informace o spínaných regulátorech

1. Frekvence spínání regulátorů

Spínací regulátory převádějí výstupní napětí na danou hodnotu napětí úpravou doby zapnutí/vypnutí spínací operace pomocí polovodičových prvků. Frekvence signálu, který toto spínání řídí, se nazývá spínací frekvence.

2. Důvod, proč se často používá 24V

U elektrických výrobků používajících spínané regulátory je výstupní napětí potřebné pro napájení často 24 V DC. Důvodem je, že řídicí obvody toto napětí vyžadují, ačkoli existují různé teorie.

Jedna teorie říká, že protože stejnosměrný proud byl kdysi často napájen bateriemi, byl definován jako celočíselný násobek 1,5 V suchého článku. Malá zařízení také používají 6 V, 9 V, 12 V atd., ale i ty jsou celočíselnými násobky 1,5.

V dobách, než PLC (programovatelné logické automaty) nahradily řídicí obvody používané v automatizaci výroby, se obvody skládaly z elektromagnetických relé a k jejich zapnutí se používalo napětí.

Jako pozůstatek se dodnes často používá 24 V. Existují i další důvody, například to, že 24 V DC je odolnější vůči hlučnému prostředí.

3. Hluk ve spínacích regulátorech

Spínací regulátory používají spínací prvky k zapínání a vypínání proudu vysokou rychlostí, takže je nevyhnutelné, že generují vysokofrekvenční šum.

Historie vývoje spínacích regulátorů se vyznačuje rostoucí účinností a zároveň nutností potlačení šumu. Moderní spínací regulátory jsou vybaveny různými opatřeními k potlačení šumu.

Spínané regulátory jsou samy o sobě zdrojem šumu. Šum se nejen přidává k výstupnímu vedení, ale také se stává elektromagnetickými vlnami, které ovlivňují elektronická zařízení.

Pro potlačení šumu jsou k dispozici následující metody:

• Reflexe
  Použití induktorů a kondenzátorů jako filtrů k zabránění přenosu šumových složek
• Absorpce
  Absorpce šumu feritovými jádry atd. a jeho přeměna na teplo nebo jinou energii
• Bypass
  Odvedení šumu do země pomocí kondenzátorů atd.
• Shield
  Vyzařované šumové složky jsou vypouštěny do země kovovým pouzdrem nebo absorbovány feritovým materiálem či jiným materiálem pohlcujícím rádiové vlny.

4. Podrobné příklady potlačení šumu u spínaných regulátorů

Nejběžnějšími typy šumu jsou soufázový šum a diferenciální šum.

Soufázový šum
Jedná se o šum, který proniká parazitní kapacitou, která se tvoří mezi deskou spínacího regulátoru a šasi zařízení, a vrací se na stranu napájení přes GND ve formě smyčky.

Diferenciální šum
V tomto případě je šum proudový šum ze zdroje šumu vstupující do obvodu spínacího regulátoru sériově s elektrickým vedením a vracející se na stranu napájení elektrickým vedením. Jak název napovídá, směr každého šumového proudu na kladném a záporném pólu zdroje napájení je opačný a nazývá se také normální šum.

Říká se tomu diferenciální šum, protože směr šumového proudu na kladném a záporném pólu zdroje napájení je pro oba stejný.

Obecně řečeno, soufázový šum je z obou typů šumu vyzařován více, ale pokud je překročena povolená hladina šumu, je nutné u obou typů přijmout protiopatření. První metodou je zkrácení kabelové trasy nebo použití vícežilových kabelů.

Pro závažnější protiopatření je nutné přidat šumový filtr. Tlumivky jsou účinné proti soufázovému šumu. Používá se také paralelní kondenzátor k zemi, nazývaný průchodkový kondenzátor. Diferenciálního potlačení šumu se dosahuje připojením kondenzátorů mezi vedeními protékajícími v opačných směrech.