Przetwornica napięcia stałego – jaką wybrać?

Każde urządzenie elektroniczne potrzebuje odpowiedniego źródła zasilania. W większości przypadków po prostu podłączmy wtyczkę do kontaktu. Warto jednak zauważyć, że niewiele jest urządzeń zasilanych zmiennym napięciem 230V, które dostępne jest w gniazdku, natomiast znacznie częściej urządzenia do poprawnego działania potrzebują napięcia stałego, o znacznie niższym potencjale. Aby takowe dostarczyć, producenci sprzętu projektują odpowiednie, nie raz bardzo rozbudowane sekcje zasilania lub też wyposażają urządzenie w port, do którego podłączymy końcówkę klasycznego zasilacza wtyczkowego. Może się również zdarzyć, że do poprawnego działania urządzenie potrzebuje kilku napięć o różnych wartościach. W takim przypadku twórcy muszą w odpowiedni sposób obniżyć lub też czasem podwyższyć napięcie wejściowe.

Trzy sposoby zasilania: przetwornica , dzielnik napięcia, stabilizator liniowy

Zasadniczo istnieją trzy sposoby zasilania: sekcja zasilania może być oparta na dzielniku napięcia, stabilizatorze liniowym lub przetwornicy. Każdy ze sposobów może posłużyć do obniżania napięcia, jednak tylko przetwornice pozwalają je podwyższyć.

Dzielnik napięcia

Pierwszym sposobem realizacji sekcji zasilania, z jakim możemy się spotkać, są układy oparte o dzielnik napięcia. Działanie takiego układu bazuje na prawie Ohma i odkładającym się napięciu na poszczególnych rezystorach. Manipulując ich wartością, możemy uzyskać na wyjściu napięcie o dowolnej wartości, będzie ona jednak mniejsza od napięcia wejściowego. Taki sposób zasilania urządzenia posiada jednak pewne wady. Pierwszą z nich jest wydajność prądowa – dzielnik napięcia zbudowany jest z rezystorów, których moc jest zazwyczaj bardzo mała. Jakikolwiek większy prąd spowoduje bardzo szybkie spalenie się oporników. Można oczywiście zastosować rezystory o większej mocy, jednak spowodowałoby to znaczny wzrost ceny takiego układu. Drugą poważną wadą jest fakt, że dzielnik projektowany jest zawsze w odniesieniu do konkretnej wartości napięcia wejściowego. W sytuacji jego zwiększenia lub zmniejszenia, napięcie na wyjściu również ulegnie zmianie.

Stabilizatory liniowe

Stabilizatory liniowe są drugą możliwością, dzięki której obniżymy napięcie wejściowe. Produkowane najczęściej w postaci elementów z trzema nóżkami są dość często spotykane w sprzęcie użytkowym. Ich zadanie jest bardzo proste – utrzymać stałą wartość napięcia na wyjściu, niezależnie od napięcia wejściowego. Oczywiście należy pamiętać, że napięcie wejściowe musi być wyższe od wyjściowego. Elementy tego typu charakteryzują się niską ceną, ale mają problem z wydzielaniem ciepła. Każdy stabilizator liniowy różnicę między napięciem wejściowym a pożądaną wartością napięcia wyjściowego musi zamienić w energię cieplną. Skutkuje to faktem, że nawet przy niewielkich prądach element bardzo szybko nagrzewają się, co wymusza stosowanie dodatkowych radiatorów, co oczywiście przekłada się na wyższe koszty takiego rozwiązania.

Przetwornice napięcia

Trzecią możliwością zrealizowania układu zasilania jest jego oparcie na przetwornicy napięcia. Zbudowana jest ona z kilku podstawowych elementów: cewki, tranzystora przełączającego, kondensatorów, rezystorów i diody krzemowej. Jak łatwo zauważyć, przetwornica napięcia jest znacznie bardziej złożonym urządzeniem, w porównaniu do wcześniej prezentowanych rozwiązań. Występują one w kilku rodzajach i mogą zarówno zwiększać, jak i obniżać napięcie wyjściowe względem wejściowego.

Dlaczego warto wybrać przetwornicę napięcia?

Przetwornice napięcia charakteryzuje jedna przydatna w procesie projektowania urządzeń elektronicznych cecha – sprawność. Jak już wiemy, dość dużą wadą stabilizatorów liniowych są straty mocy. Pod tym względem przetwornice są znacznie bardziej oszczędne. Każda przetwornica napięcia posiada parametr określony jako sprawność, jest on wyrażony w procentach i odnosi się do stosunku mocy wyjściowej do mocy pobranej ze źródła. Innymi słowy, jeśli urządzenie posiada sprawność na poziomie 80%, oznacza to, że 20% tracone jest w postaci ciepła wydzielanego głównie na tranzystorze i cewce. Trzeba jednak wiedzieć, że sprawność nie jest wartością stałą i zależy od warunków pracy przetwornicy głównie od napięcia zasilania, napięcia wyjściowego i prądu obciążenia.

Mimo zalet, przetwornice napięcia posiadają również wadę – zakłócenia. Ze względu na swoją budowę i zasadę działania napięcie wyjściowe przetwornicy nie jest idealnie stałe. Może być to problem, jeśli musimy zasilić układ potrzebujący idealnie stałego napięcia. W takim przypadku należy na wyjściu przetwornicy umieścić filtr RC.

Przetwornice napięcia dzięki swoim niewielkim wymiarom i wysokiej sprawności mogą być stosowane w zasadzie wszędzie. Projektując dowolne urządzenie, warto jest wybrać właśnie tego typu elementy.

Przetwornica napięcia – jak działa?

Przetwornica napięcia jest elementem impulsowym, który w dużym uproszczeniu obniża napięcie dzięki przełączaniu go (naprzemienne włączanie i wyłącznie). Jest to proces na tyle szybki, że nie zakłóca pracy zasilanego urządzenia bądź układu. Elementem sterującym wspomnianym przełączaniem w przetwornicach DC/DC jest najczęściej tranzystor MOSFET. Jednak aby na wyjściu urządzenia pojawiło się napięcie stałe, potrzebne są dodatkowe elementy takie jak kondensatory i cewka (dławik). O ile kondensatory pełnią tutaj role wyłącznie filtrów, o tyle element indukcyjny ma za zadanie magazynować energię w czasie, gdy urządzenie pracuje, aby później ją oddać. Dodatkowo, w obwodzie przetwornicy musi być umieszczona dioda krzemowa kontrolująca kierunek przepływającego prądu.

Przetwornice napięcia: rodzaje

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów przetwornic napięcia, najpopularniejsze z nich to:

• przetwornica step-down (buck) – obniżająca napięcie,
• przetwornica step-up (boost) – podwyższająca napięcie,
• przetwornica step-up/down (SEPIC) – urządzenie może zarówno podwyższać, jak i obniżać napięcie wejściowe.

Poza tym istnieją również inne konstrukcje, najciekawsze z nich to:

• przekształtnik forward (przetwornica przepustowa) – rodzaj przetwornicy DC/DC opartej na transformatorze. Jest to element jednotaktowy – energia pobierana ze źródła przekazywana jest na wyjście w czasie rzeczywistym. Dzięki zastosowaniu transformatora zasilacz typu forward pozwala oddzielić galwanicznie wejście i wyjście. Przetwornice przepustowe stosowane są w zasilaczach impulsowych, których moc nie przekracza kilkuset watów oraz spawarkach inwerterowych.
• Przekształtnik flyback (przetwornica zaporowa) – rodzaj przetwornicy DC/DC, w której również zastosowano galwaniczne oddzielenie wejścia i wyjścia. Jest to urządzenie dwutaktowe, w pierwszym takcie energia gromadzona jest w polu magnetycznym cewki, aby w drugim takcie ją oddać. Tego typu układy stosowane są przede wszystkim w zasilaczach impulsowych małej mocy.

Przetwornica napięcia: na co zwrócić uwagę przy jej wyborze?

Wybór odpowiedniej przetwornicy zależy głównie od projektowanego sprzętu. Jeśli chcemy zaprojektować małe urządzenie przenośne, warto zwrócić uwagę na przetwornice w wersji miniaturowej. Przy większym sprzęcie możemy zastosować przetwornice o większych wymiarach z wbudowanym radiatorem ułatwiającym odprowadzanie ciepła. Dodatkowo należy określić rodzaj potrzebnej przetwornicy – step-up, step-down lub step-up/down.

Jeśli zależy nam na jak najmniejszych stratach energii, warto wyposażyć się w przetwornice napięcia o jak największej sprawności. Standardowo sprawność tego typu urządzeń mieści się w zakresie 80-95%. Dodatkowo warto też pamiętać o podstawowych parametrach przetwornicy takich jak: maksymalny prąd wyjściowy, zakres napięcia wyjściowego i zakres napięcia wejściowego.

Tekst opracowany przez Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

źródło: tme.eu