Pulzní měniče (step up/step down) – Jak to funguje?

Před několika desetiletími byla většina elektronických zařízení napájena několika standardními napětími a požadavky na přesnost stabilizace nebo účinnost napájecích zdrojů byly ve většině případů mnohem nižší než na začátku 21. století. Za tuto dobu se změnily nejen rozsahy používaných napájecích napětí – nyní se také zabýváme úsporou energie, což se projevuje jak nižšími poplatky (v případě zařízení napájených ze sítě), tak delší dobou provozu (v případě zařízení napájených z baterií nebo akumulátorů). Lineární regulátory, které umožňují snížit a stabilizovat (“vyhladit”) napájecí napětí, jsou vynikající pro obvody s malým odběrem proudu (obvykle do jednoho ampéru). Výhodou integrovaných regulátorů napětí je bezpochyby nízká úroveň kolísání výstupního napětí a snadná aplikace v jakémkoli elektronickém obvodu. Největším problémem jsou však značné ztráty výkonu – úměrné výstupnímu proudu a rozdílu mezi vstupním a výstupním napětím obvodu. Velké množství odváděného tepla již vyžaduje použití chladiče – jinak se stabilizátor zahřívá, což může způsobit řadu problémů při pozdějším provozu zařízení. Taková situace je také velmi nevýhodná z hlediska energetických ztrát, odebíraných ze zdroje – pokud je zařízení napájeno z baterie nebo akumulátoru, zkrátí se doba provozu tohoto zařízení o více než polovinu oproti situaci, kdy by bylo použito jiné řešení snížení napájecího napětí. O jaké řešení se však jedná?

Měnič DC/DC

Nejúčinnějším způsobem, jak snížit ztráty při snižování napětí, je… jeho přepínání (střídavé zapínání a vypínání). To se samozřejmě musí dít dostatečně rychle, aby tato činnost nenarušovala činnost napájeného obvodu. Pokud vás jako první napadne asociace na PWM modulaci (používá se například ke změně jasu LED diody nebo otáček stejnosměrného motoru), pak velmi dobře! Mnoho měničů pracuje právě na takovém principu. Samotné klíčování však nestačí – potřebujete ještě součástky, které zajistí “vyhlazení” průběhu napětí – proto se v měničích používají, často poměrně velké, kondenzátory a tlumivky (tlumivky). Zatímco však kondenzátory fungují jako určitý druh filtru, použití indukčních prvků je poněkud odlišné – fungují jako zásobárna energie, která po připojení k napájecímu napětí energii shromažďuje a po odpojení ji vrací.

Pro správnou funkci proto DC/DC měnič vyžaduje – kromě regulátoru v podobě integrovaného obvodu a výše uvedených kondenzátorů a (alespoň jedné) cívky – prvek, který funguje jako spínač. Tuto funkci nejlépe plní tranzistory MOSFET, které jsou schopny vést i velké proudy bez výrazných energetických ztrát. Správně navržený měnič proto generuje nesrovnatelně méně tepla než i malý lineární stabilizátor (za stejných provozních podmínek). Křemíková dioda je také nezbytná pro řízení toku proudů tekoucích v obvodu správným směrem.

Řazení měničů DC/DC

Dosud jsme se zabývali pouze jednou aplikací DC/DC měničů, tzv. step-down nebo buck – tj. snižování napětí vzhledem k napětí dodávanému zdrojem. Vhodnou změnou zapojení součástek (klíčového tranzistoru, cívky a diody) lze dosáhnout přesného opaku – zvýšení napětí na hodnotu (i mnohonásobně) vyšší, než je napětí dodávané měničem. Takové systémy se nazývají step-up měniče nebo boost měniče. Zvyšování napětí. Některé měniče jsou také schopny pracovat v obou těchto konfiguracích a automaticky přepínají “pracovní cyklus” podle toho, zda je vstupní napětí aktuálně nižší nebo vyšší než zadané výstupní napětí. Takové systémy se nazývají buck-boost. V několika případech je nutné získat napětí s opačnou polaritou, než má napájecí napětí, nebo – zjednodušeně řečeno – “obrátit jeho póly”. To je případ zařízení, která pro správnou funkci vyžadují nejen kladné napětí vůči zemi systému, ale také záporné (nazýváme je systémy se symetrickým napájením). Invertující DC/DC měniče („inverting DC/DC“) jsou zdaleka nejméně používanou, i když velmi užitečnou variantou zvyšovacího měniče.

Další dělení lze provést na základě konstrukce obvodů. V minulosti se setkáváme s měniči, které jsou sestaveny ze souboru mnoha polovodičových prvků (tranzistory, diody, někdy jednoduché integrované obvody) a pasivních prvků (rezistory, kondenzátory a cívky). Rozšíření integrovaných ovladačů pro boost měniče na trhu způsobilo, že k sestavení funkčního a stabilního zařízení je zapotřebí pouze jedna “kostka” a několik… desítek externích součástek.

Toto řešení je oblíbené zejména u konstruktérů, kteří chtějí integrovat samotný měnič s ostatními obvody zařízení na jedinou desku plošných spojů. Nicméně i použití hotové řídicí jednotky vyžaduje, aby konstruktér měl značné znalosti o úskalích, která na něj číhají, a o tom, jak řešit konkrétní praktické problémy. Nejjednodušší metodou je proto použití hotového modulu DC/DC měniče – touto cestou se dnes vydávají tisíce konstruktérů elektroniky, protože se tak vyhnou problémům se stabilitou nebo výkonem obvodu, výrazně zkrátí dobu sestavení zařízení a obvykle také sníží náklady na součástky.

Ve skutečnosti je problematika konstrukce DC/DC měničů složitější – v každé z uvedených skupin lze nalézt systémy konstruované zcela odlišnými způsoby. Například úlohu měniče buck-boost může plnit speciální typ měniče, tzv. SEPIC nebo složitý, ale také velmi flexibilní systém, tzv. Flyback. Velmi důležité je, že abychom mohli měniče používat, můžeme je tedy rozdělit podle jejich funkce:

• zvyšovací měniče (step-up),
• snižovací měniče (step-down),
• měniče buck-boost,
• invertující DC/DC měniče (inverting DC/DC),

a vzhledem ke konstrukci systému:

• měniče s diskrétními a smíšenými prvky (s integrovanými regulátory),

modulárních střídačů ve vlastnoručně postavených jednotkách, nemusíte mít vůbec podrobné znalosti konstrukční problematiky – pokud se rozhodnete použít modulární střídač, stačí věnovat pozornost několika základním parametrům.

Parametry měničů DC/DC

Nejdůležitějšími parametry každého DC/DC měniče jsou samozřejmě rozsahy napětí vstupního (napájejícího měnič) a výstupního napětí a maximální výstupní proud, který může modul dodávat. Některé moduly jsou vybaveny miniaturním potenciometrem, který umožňuje uživateli nezávisle nastavit libovolnou hodnotu výstupního napětí (která však patří do rozsahu nabízeného převodníkem). Je samozřejmě třeba vzít v úvahu typ měniče. Například vynikající snižovací měnič Pololu s označením D24V22F6 generuje pevné výstupní napětí 6 V, ale je třeba mu dodat napětí alespoň o 0,4 V vyšší (ne však vyšší než 36 V).

Hodnota maximálního výstupního proudu měniče se obvykle udává pro optimální provozní podmínky – tj. specifikovaný rozsah vstupního napětí (a v případě regulovaných měničů také rozsah výstupního napětí). Pro přesné určení tzv. provozního bodu je nutné vycházet z grafů, které najdete v tabulce. Pro přesné určení tzv. provozního bodu je nutné nahlédnout do grafů, které zobrazují dosažitelné výstupní parametry v závislosti na “systémové situaci”.

Změna napětí v závislosti na výkonu

Důležitým aspektem, který nelze při použití střídačů boost přehlédnout, je otázka odebíraného a dodávaného výkonu ze zdroje. Snižující měnič současně zvyšuje maximální proud, který může zátěž odebírat z jeho výstupu, a podobně zvyšující měnič nabízí – za cenu vyššího napětí – menší rozsah přípustných zátěží. Přibližně lze předpokládat, že dobrý měnič, pracující za optimálních podmínek, dodává do zátěže tolik výkonu, kolik odebral ze zdroje. Například odebírá-li elektronický obvod proud 0,5 A při napájecím napětí 12 V, je výkon (rovný součinu proudu a napětí) 6 W. Pokud je snižující měnič napájen napětím 24 V, bude odběr vstupního proudu přibližně roven 0,25 A (protože 24 V * 0,25 A = 6 W). Jak už to v životě bývá, situace není tak ideální, jak by se mohlo zdát – protože do výpočtu je třeba zahrnout nevyhnutelné ztráty výkonu.

Efektivita aneb jak neztratit příliš mnoho energie

Jak již víte, největší nevýhodou lineárních stabilizátorů je vysoká ztráta výkonu spojená s nutností odvádět přebytečný výkon ve formě tepla. Přestože jsou měniče DC/DC v tomto ohledu mnohem úspornější, je třeba mít na paměti, že žádnou elektronickou součástku nebo obvod (s výjimkou tzv. supravodičů) nelze považovat za ideální součástku (nebo obvod). Účinnost měniče, další důležitý parametr každého systému tohoto typu, je (vyjádřeno v procentech) poměr výstupního výkonu k výkonu, který měnič spotřebuje ze zdroje. Pokud má měnič za daných provozních podmínek účinnost 85 %, znamená to, že 15 % energie se ztrácí ve formě tepla prostřednictvím jeho součástí (především spínacího tranzistoru a tlumivky). Vrátíme-li se k příkladu z předchozího odstavce, můžeme snadno vypočítat skutečný výkon spotřebovaný měničem ze zdroje 24 V – stačí vydělit výstupní výkon (6 W) účinností (zde předpokládejme 85 %), vyjádřenou zlomkem (tj. 0,85). Výsledek je 7,06 W. To znamená, že proud odebíraný měničem bude: 7,06 W / 24 V = 0,29 A. Je třeba vědět, že účinnost měniče závisí na skutečných provozních podmínkách, zahrnujících především napájecí napětí, výstupní napětí a zatěžovací proud (v některých situacích je třeba zohlednit také okolní teplotu nebo provozní režim – pokud jsou tyto údaje uvedeny výrobcem v katalogovém listu měniče).

Praktické poznámky k použití posilovacích měničů

Rušení a jak se s ním vypořádat

Vzhledem k tomu, že měnič je, jak již název napovídá, pulzně řízený systém, je třeba vždy brát v úvahu důsledky šumu generovaného modulem. Zatímco v případě použití DC/DC měničů pro napájení motorů, osvětlení nebo elektromagnetů, nebo dokonce většiny digitálních obvodů (např. Arduino nebo Raspberry Pi) není úroveň šumu a kolísání výstupního napětí měniče kritickým parametrem, v případě obvodů citlivých na změny napájecího napětí je třeba použít vhodná protiopatření. U systémů s nízkou spotřebou energie (např. audio předzesilovače nebo měřicí systémy s analogově-digitálními a/nebo digitálně-analogovými převodníky) je nejlepší volbou použití “místního” lineární stabilizátorkterý poskytne citlivým obvodům “čisté” napájecí napětí a sníží vliv rušivých impulzů na minimum.

Výběr modulu – rozměry a způsob instalace

Pro malá zařízení (např. přenosná) se vyplatí zvolit miniaturní měniče (např. Pololu), které se k cílovému obvodu připojují pomocí goldpinů. Toto řešení bude dobře fungovat i u kontaktních desek. Pro větší obvody s proudovým odběrem několika ampér se vyplatí použít robustní, velký měnič – takové moduly (např. Stupňovitý měnič 50W regulovaný 12V-35V / 6A ) jsou obvykle určeny k montáži pomocí dvou nebo čtyř šroubů (zvažte použití plastových distanční objímky) a jsou vybaveny šroubovými konektory pro vstupní a výstupní kabeláž. V některých aplikacích bude užitečné mít zabudovaný displej, který usnadní nastavení hodnoty výstupního napětí a sledování aktuálního vstupního napětí (např. LM2596 3,2V-35V 3A snižovací měnič s displejem).

Výběr typu měniče pro systémy s bateriovým napájením/akumulátorem

Důležitý je zejména výběr správné konstrukce měniče (tzv. topologie) – neexistuje jediný univerzální měnič pro všechny aplikace. Mimořádnou pozornost je třeba věnovat výběru modulu určeného pro práci s akumulátorem, baterií (nebo jiným zdrojem energie, jehož hodnota se může během provozu zařízení výrazně měnit). Chcete-li například napájet 5voltové Arduino pomocí čtyř sériově zapojených článků (baterií LR6 nebo LR03), nemůžete použít běžný měnič s redukcí napětí – přestože čerstvá sada baterií bude mít výstupní napětí téměř 7 V, po určité době vybíjení baterií jejich celkové napětí klesne pod 5 V. V takových případech zvažte použití měniče typu buck-boost, který výborně zajistí napájení systému i ve velmi širokém rozsahu vstupního napětí. Jen mějte na paměti, že celý rozsah napětí dosažitelný zdrojem sahá od napětí blížících se hranici vybití (tato hodnota závisí na typu baterie nebo akumulátoru) až po napětí “čerstvé” sady, přesahující součet jmenovitých napětí. V případě čtyř zmíněných baterií LR6 nebo LR03 lze předpokládat, že celkové napětí sady se bude pohybovat mezi 3,2 V a 7 V. Je třeba si také uvědomit, že NiMH články a akumulátory mají mírně odlišná jmenovitá napětí – ve srovnání s běžnými bateriemi (1,2 V místo 1,5 V). Je také nutné vzít v úvahu, že při vyšším zatížení bude napětí zdroje navíc klesat. Z tohoto důvodu je vždy vhodné volit parametry součástí zařízení s určitou rezervou zdravého rozumu.

Shrnutí

Měniče DC/DC mohou snadno odstranit problémy s přizpůsobením napájecího napětí potřebám zařízení konstruovaných elektroniky. Možnost prakticky libovolně zvyšovat nebo snižovat napětí umožňuje navrhovat účinné napájecí obvody a s hotovými moduly se úloha prakticky omezuje na připojení malé desky k obvodu pomocí tří nebo čtyř vodičů. Budete-li mít na paměti základní principy a parametry popsané v tomto článku, budete moci vybrat ideální měnič pro své potřeby – buď krokový, nebo snižující. Podrobné použití všech těchto typů měničů je popsáno výše. Začněte realizovat svůj projekt a prohlédněte si širokou nabídku DC/DC měničů v obchodě Botland – vyberte si modul, který splní všechna vaše očekávání.