Měnič stejnosměrného napětí
Každé elektronické zařízení potřebuje vhodný zdroj napájení. Nejčastěji stačí jen zasunout zástrčku do zásuvky. Za povšimnutí však stojí, že existuje jen málo zařízení napájených střídavým napětím 230 V, které je k dispozici v zásuvce, naproti tomu mnohem častěji pro správnou funkci potřebují zařízení stejnosměrné napětí s mnohem nižším potenciálem. Aby bylo možné takové zařízení dodat, navrhují výrobci zařízení vhodné, často velmi rozsáhlé napájecí sekce, nebo vybaví zařízení portem, ke kterému připojíme koncovku klasického zástrčkového napájecího zdroje. Může se také stát, že zařízení potřebuje pro správnou funkci několik různých hodnot napětí. V tomto případě musí tvůrci odpovídajícím způsobem snížit nebo někdy zvýšit vstupní napětí.
Tři způsoby napájení: měnič, dělič napětí, lineární stabilizátor
V podstatě existují tři způsoby napájení: napájecí sekce může být založena na děliči napětí, lineárním stabilizátoru nebo měniči. Každý z těchto způsobů může být použit ke snížení napětí, ale pouze měniče vám umožní jej zvýšit.
Dělič napětí
Prvním způsobem provedení napájecí sekce, se kterým se můžeme setkat, jsou systémy založené na děliči napětí. Fungování takového systému je založeno na Ohmově zákoně a napětí uloženém na jednotlivých rezistorech. Manipulací s jejich hodnotou můžeme získat na výstupu napětí jakékoli hodnoty, avšak menší než vstupní napětí. Tento způsob napájení zařízení má však některé nevýhody. První je proudová účinnost\– dělič napětí je sestaven z rezistorů, jejichž výkon je obvykle velmi nízký. Jakýkoliv větší proud způsobí, že rezistor velmi rychle shoří. Samozřejmě lze použít výkonnější rezistory, ale to by vedlo k výraznému zvýšení ceny takového systému. Druhou důležitou nevýhodou je, že dělič je vždy navržen pro konkrétní hodnotu vstupního napětí. Pokud se zvýší nebo sníží, změní se také výstupní napětí.
Schéma jednoduchého děliče napětí
Lineární stabilizátory
Lineární stabilizátory jsou druhou možností snížení vstupního napětí. Nejčastěji se vyrábí v podobě prvků se třemi nožičkami, které poměrně často najdeme ve spotřební elektronice. Jejich úkol je velmi jednoduchý – udržovat konstantní hodnotu napětí na výstupu, bez ohledu na vstupní napětí. Samozřejmě 
je třeba mít na paměti, že vstupní napětí musí být vyšší než výstupní. Prvky tohoto typu se vyznačují nízkou cenou, ale mají problém s uvolňováním tepla. Každý lineární stabilizátor musí rozdíl mezi vstupním napětím a požadovanou hodnotou výstupního napětí přeměnit na tepelnou energii. Vede to k tomu, že se prvek i při nízkých proudech velmi rychle zahřívá, což vyžaduje použití dalších chladičů, a to se samozřejmě promítá do vyšších nákladů na takové řešení.
Měniče napětí
Třetí možností provedení napájecího systému je jeho založení na měniči napětí. Měnič se skládá z několika základních komponentů: cívky, spínacího tranzistoru, kondenzátorů, rezistorů a křemíkové diody. Snadno si lze povšimnout, že měnič napětí je mnohem složitější zařízení ve srovnání s výše prezentovanými řešeními. Vyskytuje se v několika typech a může zvyšovat a také snižovat výstupní napětí vzhledem ke vstupnímu napětí.
Proč bychom si měli zvolit měnič napětí?
Měniče napětí se vyznačují jednou funkcí, která je užitečná v procesu navrhování elektronických zařízení - účinností. Jak již víme, poměrně velkou nevýhodou lineárních stabilizátorů je ztráta výkonu. V tomto ohledu jsou měniče mnohem úspornější. Každý měnič napětí má parametr definovaný jako účinnost, který je vyjádřen v procentech a odkazuje na poměr výstupního výkonu k výkonu odebranému ze zdroje. Jinými slovy, pokud má zařízení účinnost 80 %, znamená to, že se 20 % ztratí v podobě tepla, které se uvolňuje hlavně na tranzistoru a cívce. Je však důležité vědět, že účinnost není konstantní hodnotou a závisí na provozních podmínkách měniče, hlavně na napájecím napětí, výstupním napětí a zatěžovacím proudu.
I přes řadu výhod mají měniče napětí také nevýhodu – rušení. Vzhledem ke své konstrukci a principu fungování není výstupní napětí měniče dokonale konstantní. To může být problém, pokud potřebujeme napájet systém, který vyžaduje dokonale konstantní napětí. V takovém případě je třeba na výstupu měniče umístit filtr RC.
Měniče napětí mohou být díky svým malým rozměrům a vysoké účinnosti použity v podstatě kdekoli. Při navrhování jakéhokoli zařízení stojí za to si zvolit právě prvky tohoto typu.
Měnič napětí – jak funguje?
Měnič napětí je impulsní prvek, který zjednodušeně řečeno snižuje napětí díky jeho přepínání (střídavé zapínání a vypínání). Tento proces je natolik rychlý, že neruší provoz napájeného zařízení nebo systému. Ovládacím prvkem tohoto přepínání v DC/DC měničích je nejčastěji tranzistor MOSFET. Aby se však na výstupu zařízení objevilo konstantní napětí, jsou zapotřebí další komponenty, jako jsou kondenzátory a cívka (tlumivka). Zatímco kondenzátory zde fungují výhradně jako filtry, indukční prvek je navržen tak, aby uchovával energii v době, kdy je zařízení v provozu, a poté ji vrátil. Kromě toho musí být do obvodu měniče vložena křemíková dioda, která kontroluje směr proudícího proudu.
Měniče napětí:
typy
Na trhu existuje několik typů měničů napětí, z nichž k nejoblíbenějším patří:
• step-down měnič (buck) – snižující napětí,
• step-up měnič (boost) – zvyšující napětí,
• step-up/down měnič (SEPIC) – zařízení může zvyšovat i snižovat vstupní napětí.
Měnič napětí OKY3497-4
Kromě toho existují i další konstrukce, nejzajímavější z nich jsou:
• forward převodník (propustný měnič) – druh DC/DC měniče založeného na transformátoru. Jedná se o jednotaktní prvek – energie odebírána ze zdroje je přenášena na výstup v reálném čase.
Díky použití transformátoru umožňuje napáječ typu forward galvanicky oddělit vstup a výstup. Propustné měniče se používají v impulsních napájecích zdrojích, jejichž výkon nepřekračuje několik set wattů,
a v invertorových svářečkách.
• flyback převodník (blokující měnič) – druh DC/DC měniče, ve kterém bylo také použito galvanické oddělení vstupu a výstupu. Jedná se o dvoutaktní zařízení, v prvním taktu se energie hromadí v magnetickém poli cívky, a poté se ve druhém taktu vrací. Tyto typy systémů se používají hlavně v impulzních napájecích zdrojích s malým výkonem.
Měnič napětí:
na co se zaměřit při výběru?
Výběr vhodného měniče závisí hlavně na navrhovaném zařízení. Pokud chcete navrhnout malé přenosné zařízení, zvažte použití měničů v miniaturní verzi. U většího zařízení můžete použít měniče větších rozměrů s vestavěným chladičem pro snadnější odvod tepla. Kromě toho je třeba určit typ měniče, který potřebujete – step-up, step-down nebo step-up/down. Pokud chcete mít co nejmenší ztráty energie, zvažte použití měničů napětí s nejvyšší možnou účinností. Účinnost tohoto typu zařízení je standardně v rozmezí 80–95 %. Kromě toho pamatujte také na základní parametry měniče, jako jsou: maximální výstupní proud, rozsah výstupního napětí a rozsah vstupního napětí.
Text připravila společnost
Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
www.tme.eu