Przetwornice impulsowe – wstęp teoretyczny

Przetwornice impulsowe – wstęp teoretyczny

Zapraszamy na cykl artykułów dotyczących impulsowych przetwornic napięcia DC. W niniejszym artykule opiszemy czym są przetwornice impulsowe, ich podział, zasadę działania oraz parametry. W kolejnych artykułach przedstawimy test zbiorczy przetwornic różnego typu będących w ofercie firmy Gotronik.

Impulsowa przetwornica napięcia najczęściej spotykana jest w zasilaczach impulsowych. Mamy z nimi do czynienia na co dzień, mają zastosowanie chociażby  w ładowarkach do naszych smartfonów, zasilaczach komputerowych i wielu innych. Zasilacze impulsowe skutecznie wypierają zasilacze liniowe dzięki zwiększonej sprawności, mniejszym wymiarom, mniejszym poborem mocy i wydzielaniem ciepła.

Działanie przetwornicy impulsowej polega na regulowaniu współczynnika wypełnienia sygnału wyjściowego za pomocą elementu kluczującego sterowanego generatorem impulsów o częstotliwości rzędu kiloherców. W tym przypadku elementem kluczującym jest tranzystor. Możemy wyróżnić kilka podstawowych typów przetwornic:

• obniżająca (step down) – przetwornica obniżająca napięcie wyjściowe, stosowana głównie w ładowarkach do smartfonów i tym podobnych. Na przykład, podając na wejście przetwornicy napięcie 12 V (występujące m.in w instalacji samochodowej) możemy otrzymać napięcie 5 V standardu USB,
• podwyższająca (step up) – ten typ przetwornicy stosowany jest najczęściej w powerbankach, ogniwach fotowoltaicznych i tym podobnych. Większość powerbanków oparta jest o ogniwo 18650 o napięciu 3.7 V. Za pomocą przetwornicy step-up jesteśmy w stanie podnieść napięcie i zasilić urządzenie napięciem np. 5 V do ładowania telefonu,
• odwracająca – przydatna w urządzeniach które wymagają symetrycznego zasilania. Gdy na wejście podamy np. 5 V, napięcie na wyjściu będzie wynosiło -5 V.

Uproszczony schemat przetwornicy obniżającej napięcie przedstawiono na rysunku 1:

Rysunek 1: Uproszczony schemat przetwornicy obniżającej napięcie

Gdy tranzystor kluczujący jest zwarty, prąd płynący w obwodzie powoduje gromadzenie energii w cewce L. Po rozwarciu klucza cewka rozładowuje się, a obciążenie R zasilane jest wygładzonym przez kondensator C prądem. Tranzystor Q sterowany jest wbudowanym generatorem impulsów i to od niego zależy jakie napięcie będzie występowało na wyjściu przetwornicy.

Przetwornice podzielić można również na:

• stabilizowane – napięcie wyjściowe pozostaje niezmienne podczas zmian napięcia wejściowego
• niestabilizowane – napięcie wyjściowe zmienia się razem z napięciem wejściowym

Warto dodać również że istnieją przetwornice zarówno obniżające jak i podwyższające jako jeden moduł.

Z praktycznego punktu widzenia, istotnymi parametrami przetwornicy są:

• zakres napięć wejściowych
• zakres napięć wyjściowych
• pobór prądu
• maksymalny prąd wyjściowy
• moc wyjściowa
• sprawność
• wymiary zewnętrzne

W niniejszej serii artykułów zbadamy wszystkie z wyżej wymienionych parametrów i przedstawimy w formie porównania.

W ofercie firmy Gotronik można znaleźć wszystkie wyżej wymienione przetwornice, większość z nich posiada możliwość regulacji napięcia wyjściowego za pomocą potencjometru wieloobrotowego. Część przetwornic posiada wbudowany wyświetlacz wskazujący bieżące wartości napięcia, prądu czy mocy.