Przetwornice impulsowe w pigułce – część 1

Klasyczne, liniowe zasilacze i stabilizatory zostały prawie całkowicie wyparte przez rozmaite przetwornice impulsowe. Faktem jest, że szczegóły ich budowy mogą być skomplikowane, jednak spróbuję Cię przekonać, że podstawowe zasady działania i ich praktyczne wykorzystanie są zaskakująco łatwe!

Nie taki diabeł straszny…

Współczesne urządzenia elektroniczne zasilane są z wykorzystaniem rozmaitych przetwornic impulsowych, w przytłaczającej większości – przetwornic indukcyjnych, a nie pojemnościowych. Dla wielu elektroników ich funkcjonowanie jest dosłownie czarną magią. Tymczasem ich zasada działania, a także praktyczne wykorzystanie gotowych modułów, okazują się zaskakująco łatwe. Zasilaczami sieciowymi, które przekształcają napięcie przemienne 230 V 50 Hz na niskie napięcie stałe, zajmiemy się w dalszych częściach artykułu, a teraz, na początek poznajmy dwa główne, najpopularniejsze rodzaje prostych przetwornic indukcyjnych:

• podwyższające (boost, step-up),
• obniżające (buck, step-down).

Ich uproszczone schematy pokazane na rysunku 1 zawierają cztery elementy oznaczone L, C, K, D.

Klucz K w rzeczywistości jest tranzystorem (najczęściej MOSFET-em, bardzo rzadko tranzystorem bipolarnym), włączanym i wyłączanym z dużą szybkością kilkudziesięciu kHz do kilku MHz.

Wartość napięcia wyjściowego regulowana jest w bardzo prosty sposób. Otóż napięcie wyjściowe nie zależy od częstotliwości przełączania, tylko od współczynnika wypełnienia impulsów (D – duty factor), czyli różnic czy raczej stosunku, ilorazu czasu włączenia (ton) i czasu wyłączenia (toff) klucza. Sterownik jest dziś układem scalonym, zawierającym generator oraz obwody regulacji współczynnika wypełnienia. I właśnie ten scalony, gotowy sterownik robi za nas całą czarną robotę!

Bardzo dobra, wręcz znakomita wiadomość jest taka: nie musimy wcale rozumieć każdego szczegółu budowy i działania sterownika. O szczegóły zadbali projektanci układu scalonego.

W najprostszym przypadku po prostu kupujemy gotowy moduł przetwornicy i go wykorzystujemy. A jedynie w razie potrzeby, przeprowadzamy jakąś modyfikację. Możliwościami, a nawet koniecznością modyfikacji i wzbogacenia fabrycznych przetwornic o różne obwody pomocnicze będziemy się zajmować w kolejnych artykułach, a na razie przypomnijmy podstawowe konfiguracje i poznajmy praktycznie użyteczne gotowe moduły przetwornic.

Przetwornica podwyższająca

Gdy w przetwornicy podwyższającej z kluczem K w postaci tranzystora MOSFET N według rysunku 2 współczynnik wypełnienia D wynosi zero, czyli gdy klucz K w ogóle nie jest włączany, tylko stale pozostaje rozwarty, nieprzewodzący, wtedy napięcie z baterii po prostu przechodzi na wyjście przez cewkę L i diodę D. Zakładając na początek, że cewka L jest idealna i ma zerową rezystancję uzwojenia oraz że idealna jest dioda D, na wyjściu otrzymamy napięcie UO równe napięciu baterii UB. W rzeczywistości będzie ono niższe od napięcia baterii o spadek napięcia na rezystancji uzwojenia cewki oraz o spadek napięcia na diodzie D (0,2…0,8 V, zależnie od typu diody D i wielkości płynącego prądu).

Gdy na przemian zwieramy i rozwieramy klucz K, napięcie wyjściowe UO staje się większe.

Gdy klucz zostaje zwarty (tranzystor przewodzi), płynie przezeń liniowo rosnący prąd, i wtedy cewka gromadzi porcję energii. Gdy klucz zostaje rozwarty, ta porcja energii zostaje przekazana na wyjście do obciążenia zwiększając tym samym napięcie wyjściowe powyżej napięcia baterii. Na razie nie pytaj: dlaczego i jak to się dzieje? To w sumie prosta sprawa, ale na początek nawet tego nie musisz wiedzieć.

Jeżeli współczynnik wypełnienia D jest mały, czyli klucz K zostaje zwarty na króciutki czas, a potem rozwarty na czas dłuższy, to napięcie wyjściowe jest niewiele większe od napięcia baterii. Gdy wypełnienie D wynosi 0,5 (50%), czyli gdy klucz K jest zwierany, a potem rozwierany na taki sam czas, wtedy w idealnym przypadku napięcie wyjściowe jest dwa razy większe od napięcia baterii.

Jeżeli współczynnik wypełnienia D zbliża się to 1 (do100%), to napięcie wyjściowe bardzo silnie rośnie, teoretycznie do nieskończoności. Teoretyczne, bowiem wypełnienie 1 (100%) oznacza, że klucz jest zwarty stale (przewodzi), a to spowodowałoby katastrofę, bo wtedy z baterii przez cewkę L płynąłby ogromny prąd, niszczący i cewkę L, i klucz K.

Wypełnienie impulsów z kilku względów nie powinno być zbyt duże. Regulacja zwykle realizowana jest przez odpowiedni układ scalony, który ogranicza maksymalne wypełnienie na tyle, żeby napięcie wyjściowe było co najwyżej kilka razy większe od napięcia wejściowego. Na rysunku 3 pokazany jest blokowy schemat wewnętrzny kilkuamperowych sterowników XL6019 (XL6009).

Scalony sterownik zawiera w sobie kluczujący tranzystor (MOSFET N) i jest tak zbudowany, że stara się utrzymać na swoim wejściu kontrolnym FB (feedback) określone napięcie – w przypadku kostek XL6019, XL6009 i pokrewnych jest to 1,25 V. Ma wbudowane zabezpieczenia: termiczne, ogranicznik prądu (OCP – OverCurrent Protection) i napięciowe (OVP – OverVoltage Protection), które chroni tranzystor przed uszkodzeniem, gdyby użytkownik próbował ustawić zbyt wysokie napięcie wyjściowe, a także UVLO – obwód, który wyłącza przetwornicę, gdy napięcie wejściowe jest za małe i nie gwarantuje jej poprawnej pracy (UnderVoltage LockOut). Ma też obwód powolnego startu.

Wnętrze scalonego sterownika może być skomplikowane, jednak finalny układ aplikacyjny często jest zaskakująco prosty. Rysunek 4 pokazuje proponowany w karcie katalogowej schemat przetwornicy podwyższającej z kostką XL6019 i pokrewnymi. Zewnętrzny dzielnik napięcia R1, R2 pozwala ustawić płynnie potrzebną wartość napięcia wyjściowego, nie mniejszą niż napięcie baterii.

Moduły z kostką XL6019, zrealizowane według tego schematu pokazane są na fotografii 5.

Natomiast fotografia 6 przedstawia inne moduły przetwornic podwyższających o większej mocy z moich zapasów. Schematy niektórych są bardzo podobne do tego z rysunku 4, ale niektóre mają rozwiązania bardziej skomplikowane (np. z kostkami UC3843, TL494 C). Dostępnych jest też wiele modułów przetwornic podwyższających o mniejszej mocy i dużo mniejszych rozmiarach.

Nieliczne przetwornice mają napięcie wyjściowe ustawione na stałe, np. 12 V, 5 V czy 3,3 V. Większość modułów zawiera potencjometr pozwalający regulować napięcie wyjściowe w szerokim zakresie (warto jednak uważać, żeby nie ustawić zbyt wysokiego napięcia wyjściowego, grożącego uszkodzeniem kondensatorów wyjściowych i tranzystora kluczującego). Część modułów ma dodatkowo drugi potencjometr, który pozwala ustawić prąd maksymalny (ogranicznik prądowy). W razie potrzeby schemat można albo rozrysować z płytki, albo też poszukać informacji w Internecie, wpisując nazwę zastosowanego w nim scalonego sterownika.

W drugiej części artykułu zajmiemy się przetwornicami obniżającymi. ©

Piotr Górecki