Kompendium wiedzy o przetwornicach impulsowych!

Wstęp

W niniejszej książce w bardzo przystępny sposób i niejako prowadząc za rękę, objaśniam zasady i szczegóły działania najróżniejszych rodzajów i odmian przetwornic impulsowych. W rozdziale pierwszym krótko omawiam przetwornice pojemnościowe, bo to też są przetwornice impulsowe i są praktycznie wykorzystywane, choć stosunkowo rzadko. Potem kolejno przedstawiam działanie najróżniejszych przetwornic indukcyjnych, począwszy od najprostszych. Te najprostsze i najczęściej stosowane przetwornice działają według oczywistych, łatwo zrozumiałych zasad i dla wielu osób wielką satysfakcją będzie samo zrozumienie tych podstaw. Dopiero po omówieniu trzech elementarnych konfiguracji przetwornic nieizolowanych w łagodny sposób przechodzę do przetwornic i zasilaczy sieciowych. Pokazuję, że w sumie działają one tak jak najprostsze przetwornice nieizolowane, a całe skomplikowanie wynika z faktu, że są to zasilacze dołączone do sieci energetycznej, a przepisy bezpieczeństwa wymagają, żeby obwód wyjściowy takich zasilaczy był bardzo skutecznie odizolowany od sieci energetycznej. Takie coraz ostrzejsze wymagania dotyczące skutecznej i bezpiecznej izolacji wymuszają zastosowanie galwanicznego oddzielenia wyjścia zasilacza od sieci energetycznej, co w praktyce oznacza zastosowanie transformatora zamiast pojedynczej cewki. Podkreślam, że impulsowe zasilacze sieciowe też działają według prostych zasad dotyczących najprostszych przetwornic, tylko z konieczności muszą być bardziej skomplikowane, zwłaszcza zasilacze większej mocy. Właśnie dlatego po niedługim omówieniu konfiguracji flyback dużo uwagi poświęcam różnym odmianom konfiguracji forward, w tym half bridge i full bridge. W takich złożonych przetwornicach występują dodatkowe czynniki, które szczegółowo i przystępnie omawiam w kilku rozdziałach.

Sporo uwagi poświęcam przetwornicom Royera – głównie dlatego, żeby to doprowadziło do nieco podobnej konfiguracji prostych, a bardzo atrakcyjnych i popularnych wśród hobbystów przetwornic rezonansowych nazywanych ZVS flyback driver (Mazilli ZVS driver).

Książka przekazuje wiedzę o przetwornicach systematycznie „od zera” i w bardzo przystępny sposób, ale nie jest przeznaczona dla zupełnie początkujących – do zrozumienia działania przetwornic impulsowych wymagana jest podstawowa wiedza o elektronice, w tym przede wszystkim prawidłowe zrozumienie działania kondensatora i cewki, które są „wzajemnie odwrotnymi” magazynami małych porcji energii: odpowiednio w polu elektrycznym i w polu magnetycznym. Ze zrozumieniem działania kondensatora nie ma kłopotów, ale mnóstwo osób „boi się cewek” i nie ma jasnego wyobrażenia o ich właściwościach, które na pozór wydają się bardzo dziwne. Nie ma większych kłopotów z elementami półprzewodnikowymi – na początek wystarczy informacja, że w przetwornicach impulsowych tranzystory pracują tylko jako klucze: albo są w pełni otwarte, albo w pełni zatkane. Te niezbędne elementarne podstawy przedstawiam na bieżąco w swoim czasopiśmie Zrozumieć Elektronikę, finansowanym przez Patronów na Patronite, na swoim kanale YouTube, w artykułach i filmach z kategorii B (O elektronice przystępnie) i E (Elementy) oraz w licznych artykułach w Kopalni skarbów na mojej stronie internetowej piotr-gorecki.pl.

Podkreślam jeszcze raz, że warunkiem koniecznym do zrozumienia działania przetwornic jest prawidłowe rozumienie działania cewki indukcyjnej, a w szczególności zasad jej ładowania energią elektryczną – jak to się potocznie mówi: „ładowania napięciem” – oraz rozładowania, a także wytwarzania napięcia samoindukcji podczas ładowania i rozładowania.

Książka przeznaczona jest dla wszystkich osób, które chcą zrozumieć i podstawy, i szczegóły działania różnych odmian przetwornic impulsowych. Pokazuje, że podstawy są zaskakująco proste, ale niestety udowadnia też, że szczegóły są ogromnie skomplikowane. Właśnie z uwagi na stopień skomplikowania zagadnienia książka NIE jest poradnikiem dla konstruktorów przetwornic. W książce nie analizuję szczegółów dotyczących częstotliwości pracy przetwornic oraz indukcyjności wykorzystywanych cewek i transformatorów. To są dość złożone zagadnienia, w grę wchodzą pewne kompromisy, a konstruktor musi mieć szeroką wiedzę przede wszystkim o elementach indukcyjnych, cewkach i transformatorach, w szczególności o kwestiach związanych z ograniczeniami, jakie wnoszą ozmaite typy rdzeni ferromagnetycznych. Nie ma prostych, uniwersalnych reguł projektowania przetwornic. W grę wchodzą nie tylko aspekty techniczne. Ogromnie ważne są aspekty ekonomiczne – bardzo często konstruktor jest ograniczony faktem, że jego przetwornica ma być odpowiednio tania, a to zawsze oznacza poważne kompromisy.

Konstruktor przetwornic impulsowych musi też mieć wiedzę dotyczącą EMC, czyli kompatybilności elektromagnetycznej – najprościej biorąc: wiedzę dotyczącą poważnego problemu zakłóceń, jakie wytwarzają przetwornice, zakłóceń przekazywanych przewodowo oraz emitowanych w postaci (bliskich i dalekich) pól elektromagnetycznych. To są ogromnie szerokie dziedziny, których ta książka z konieczności nie obejmuje.

Książka jest natomiast znakomitym, wyjątkowo przystępnym wprowadzeniem w tematykę przetwornic dla wszystkich zainteresowanych, w tym także dla osób, które nie tylko chcą dobrze rozumieć ich działanie, ale potem też projektować przetwornice impulsowe.

Przyjemnej lektury! Piotr Górecki