DC/DC měniče

Měnič DC/DC je obecně jakýkoliv obvod, který mění (zvyšuje i snižuje) velikost vstupního napětí. To znamená, že mezi ně patří i lineární stabilizátory jako je LM317 nebo L7805. Ty dokáží vstupní napětí pouze snižovat, jsou levné, jednoduché na použití, ale mají malou účinnost.

V tomto textu bych se chtěl zaměřit na spínané DC/DC měniče, které dokáží napětí nejenom snižovat, ale i zvyšovat. Tyto měniče se dnes používají v elektronice napájené z baterií, na základových deskách počítačů a další.

Spínané DC/DC měniče nejsou žádnou novinkou. První zmínky jsou ze 60. let minulého století a s příchodem rychlých polovodičových tranzistorů se rozšířily ještě více. Dnes jsou k nalezení v téměř každé spotřební elektronice.

Spínané měniče pracují na několika principech. Dnes asi nejrozšířenější jsou elektromagnetické, kdy se k uchování energie používá cívka nebo transformátor. Existuje mnoho různých typů, podle toho jestli potřebujeme napětí snížit, zvýšit, jestli potřebujeme výstup galvanicky oddělit, jestli potřebujeme energii dodávat oběma směry (tj. libovolně měnit vstup a výstup) apod. Patří sem:

  • Step-up (boost) měnič pro zvýšení napětí,
  • step-down (buck) pro snížení napětí,
  • SEPIC měnič (umožňuje napětí snižovat i zvyšovat),
  • invertující buck-boost (z kladného napětí vytvoří záporné),
  • můstkový měnič pro galvanické oddělení,
  • push-pull měnič (také pro galvanické oddělení).

Ve spotřební elektronice, která je napájena z baterie se nejčastěji používají step-up měniče, které mají navíc obvod pro měření výstupního napětí. Naměřené hodnoty pak slouží jako zpětná vazba pro spínací obvod. Tím pádem je zaručena konstantní velikost výstupního napětí i v případě, že se baterie začne vybíjet.

Další kategorií jsou měniče kapacitní, ukládající energii do kondenzátoru. Sem patří nábojové/napěťové pumpy a zdvojovače napětí.

Spíše kuriozitou (i když stále používanou) jsou měniče založené na mechanickém principu. Obsahují motor, který může být stejnosměrný i střídavý a na jeho hřídeli je pak připevněn alternátor (nebo generátor). Vhodnou konstrukcí cívek je pak možné vyrobit měnič na libovolné napětí o velmi vysokém výkonu. Měnič DC/DC nebo DC/AC. Vstupní napětí je navíc galvanicky odděleno od výstupu. Tyto měniče se používaly například v lokomotivách a tramvajích.

Motor-generátor je mechanický měnič napětí pro velmi vysoké výkony (zdroj obrázku Wikipedia).
Motor-generátor je mechanický měnič napětí pro velmi vysoké výkony (zdroj obrázku Wikipedia).

Princip činnosti step-up měniče

Pojďme se nyní podívat na princip činnosti step-up měniče. Na obrázku níže je blokové schéma nejjednoduššího měniče tohoto typu.

Měnič má dva stavy, ve kterých se může nalézat – spínač S je vypnutý nebo sepnutý (je jasné, že reálné zapojení nepoužívají mechanický spínač, ale rychlý polovodičový tranzistor). V případě, že je spínač sepnutý, proud teče ze zdroje U přes cívku L a tím pádem je levý konec cívky kladný. Jakmile se vypínač otevře, polarita cívky se změní a kladný konec bude pravý. V obvodu nám tak vzniknou dva zdroje zařazené sériově, které přes diodu D začnou nabíjet kondenzátor C na vyšší napětí, než je napětí zdroje. Toto napětí se pak objeví i na zátěži Rz.

Blokové schéma step-up měniče.
Blokové schéma step-up měniče.

Pokud budeme uvažovat ideální součástky (cívka nebude mít žádný sériový odpor a na diodě nebude žádný úbytek napětí), pak je výstupní napětí na zátěži závislé na době, po kterou je spínač otevřen a zavřen.

V případě, že frekvence spínaní je konstantní (řádově stovky kHz až jednotky MHz), je výstupní napětí závislé na střídě D. V případě, že střída D=0 je spínač vypnutý a výstupní napětí je stejné jako vstupní. Jak se bude střída zvětšovat, bude se zvětšovat i výstupní napětí, které může teoreticky dosáhnout až nekonečna (ale opravdu jen teoreticky). Vztah pro výstupní napětí je:

\(
U_{out} = \frac{1}{1 – D} \cdot U_{in}
\)

Výše uvedené platí jen pro ideální součástky. Doopravdy je celá teorie mnohem složitější. Navíc se často zavádí zpětná vazba, aby bylo možně podle měnit střídu a tím pádem udržet výstupní napětí konstantní i při měnícím se vstupním napětí.

Dnes se tyto měniče dají sehnat jako integrované obvody. Jejich účinnost se pohybuje kolem 90% a maximální výstupní proud bývá i jednotky ampér. K integrovaném obvodu pak stačí připojit cívku, diodu a pár rezistorů. Velkou nabídku těchto měničů má například firma Linear Technology (ale i Texas Instruments, Analog Devices a On Semiconductor).

Zajímavý projekt využívající step-up měnič je jednoduchý zdroj s dvěma tužkovými AA bateriemi. Adafruit má takový projekt pod názvem Minty Boost. Vstupní napětí je v tomto případě 1,8 V až 2,4, výstupní napětí je 5 V. Vynikající přenosný zdroj pro Arduino projekty i další digitální obvody.

Nábojové pumpy

Zatímco step-up využívá pro uložení energie cívku, nábojové pumpy využívají kondenzátor. Princip je v podstatě stejný, rychlým přepínáním se nabíjí a vybíjí kondenzátor/kondenzátory, které pak slouží jako zdroj napětí pro spotřebič.

Velmi jednoduché zapojení funkční nábojové pumpy je na obrázku níže. Základem je NE555 jako astabilní klopný obvod. Ten s frekvencí alespoň 5kHz nabíjí kondenzátor C3. V případě, že je napájecí napětí celého obvodu 5V, bude výstupní napětí právě −5V.

Nábojová pumpa s NE555 pro záporné výstupní  napětí.
Nábojová pumpa s NE555 pro záporné výstupní napětí.

Zapojení je funkční a nedávno jsem ho ověřil s následujícími součástkami:

  • R1 = 330 Ω,
  • R2 = 1500 Ω,
  • C1 = 0,1uF,
  • C2 = 4,7 μF,
  • C3 = 10 μF.

To odpovídá frekvenci NE555 přibližně 5 kHz se střídou asi 55 %. Na výstupu je opravdu záporné napětí, ovšem celý měnič je velmi měkkým zdrojem napětí. Více jak 1 mA z něj nedostanete.

Tranzistorový měnič

A spíše jen pro zajímavost si ještě ukažme DC/DC měnič, který se používal pro napájení koncových stupňů elektronkových vysílačů. Toto schéma jsem nalezl v knize Zapojení s polovodičovými součástkami od Ing. Milana Syrovátka (SNTL, 1973).

Tranzistorový měnič s výstupním napětím 120V
Tranzistorový měnič s výstupním napětím 120V

Tranzistor je zapojen jako nízkofrekvenční oscilátor, jehož frekvence je určena paralelním rezonančním obvodem, který tvoří kondenzátor C2 a sekundární vinutí transformátoru. Transformátor je navinut na feritovém jádře s primárním vinutím cca 60 závitů a na sekundárním 600. Výstupní napětí je až 120 V a výkon asi 2W.

Toto zapojení jenom potvrzuje, že DC/DC měniče nejsou žádnou novinkou a používaly se ještě v dobách elektronek.

Závěr

Doufám, že jsem tímto článkem poskytl alespoň základní úvod do problematiky DC/DC měničů. Snažil jsem se vyhnout matematice i komplikovaným schématům, jelikož ty většinou nikoho nezajímají :)

Pokud jste již někdy stáli před problémem, jak napájet digitální obvody z baterie, step-up měniče mohou být řešením. Široká nabídka integrovaných obvodů (i když ne vždy cenově příznivých, počítejte s cenou kolem 50-150 korun za kus) umožňuje zkonstruovat například jednoduchý zdroj s dvěma AA bateriemi pro Arduino nebo jako nabíječku mobilních telefonů.