Galvaanilise eraldusega alalispingemuundur

Galvaanilise eraldusega pingemuundur on niisugune alalispingemuundur, mille väljundpool on sisendpoolest galvaaniliselt eraldatud, mis tähendab, et nende vahel puudub otsene voolurada (elektrijuhte mööda). Niisugune eraldus saavutatakse trafoga. Eraldamine on vajalik eelkõige ohutustehnilistel kaalutlustel, kuid trafo on osaline ka pingemuunduse protsessis.

Galvaanilise eraldusega alalispingemuunduritest on kõige tuntumad ühe- ja kaheastmelise energiaülekandega skeemid. Üheastmelises muunduris kandub energia trafo sekundaarahelasse sel samal ajavahemul, kui sisendahelas olev lüliti on suletud. Kaheastmelise ülekande korral salvestub lüliti suletud ajavahemiku (t1) kestel energia induktiivpooli magnetvälja ja see energia kandub väljundvooluna koormusele siis, kui lüliti avaneb ajavahemikuks t2.

Muunduslülituse sekundaarahelas olev alaldusdiood D1 on üheastmelise energiaülekande korral avatud (ühendatud pärisuunas), kaheastmelise muunduse korral aga suletud. Vastavalt nimetatakse esimesi pärilülituses dioodiga muunduriteks ja teisi vastulülituses dioodiga muunduriteks.

Mõlemat tüüpi pingemuundureid kasutatakse laialdaselt võrgutoiteplokkides ja toiteadapterites. Neis on sisendpingeks enamasti alaldatud 230 V võrgupinge, mille väärtus on sildalaldi ja suure mahtuvusega silukondensaatori järel umbes 325 V. Sellise pingega alalisvoolu energia muudab kõrge sagedusega (kümned kuni sajad kilohertsid) vahelduvvoolu energiaks vaheldi transistorlüliti abil, mis saab tüürlülitusest sisse- ja väljalülitavaid impulsse. Sama pingemuunduspõhimõte leiab rakendust ka impulsslampide toitelülituses, auto süütesüsteemis jm.

Kaheastmelise energiaülekandega muundurid on kohased väikese, kuni 250-vatise võimsustarbe korral, nt arvuti toiteosas või ka ooteoleku (standby) lülituste toiteallikana, üheastmelised muundurid võimsusvahemikus 100–500 W. Veelgi suurema võimsuse vajadusel on kasutusel kahetaktilised (kahe lülitiga) või sildühenduses (nelja lülitiga) vastastaktmuundurid.

Järgnevalt kirjeldatakse pingemuundurite põhimõttelist ehitust ja talitlust. Tegelikud pingemuunduslülitused sisaldavad lisaks siinkirjeldatule tagasisidel ja pulsilaiusmodulatsioonil põhinevaid vooluahelaid, mis võimaldavad väljundpinget reguleerida ja stabiliseerida (vähendada sõltuvust koormustakistuse ja sisendpinge muutustest) ja suurendada kasutegurit.

Kaheastmelise energiaülekandega alalispingemuundur

Vastulülituses dioodiga (kaheastmelise) alalispingemuunduri põhimõtteskeem

Kaheastmelise energiaülekandega (vastulülituses dioodiga) alalispingemuundur (ingl flyback converter) töötab samal põhimõttel kui vastandpolaarne pingemuundur, mille skeemile on lisatud eraldustrafo.

Muunduri trafo

Vaadeldaval juhul pole tegemist trafoga tavalises mõttes, kus energia ülekanne primaarahelast sekundaarahelasse on pidev ja südamikus salvestuv energia tühine. Vaadeldava pingemuunduri trafos toimub energia ülekanne kahes järgus; suletud lüliti ajal salvestub energia trafos ja kandub sekundaarahelasse sel ajavahemikul, kui lüliti on avatud.

Selle pingemuunduri trafo erineb tavalisest trafost südamiku poolest. Nimelt on tema magnetahelas tekitatud õhupilu, mis avaldav magnetvoole suurt magnetilist takistust (vt Magnetahel). Seetõttu tekitab magnetvoog sellel takistusel ka suure magnetomotoorjõu, mis soodustab magnetvälja energia salvestumist. Õhupilu luuakse näiteks E-ferriitsüdamiku lühema keskmise sambaga.

Tööpõhimõte

Tüürlülitusest saabuv positiivne pingeimpulss muudab lülitustransistori ajavahemikuks t₁ juhtivaks. Trafo primaarmähises voolab lineaarselt tugevnev vool, millega kaasneb tugevnev magnetvoog südamikus ja magnetvälja energia salvestumine. Sekundaarahel on sel ajavahemikul vooluta, sest diood pole juhtiv (pluss katoodil).

Kui seejärel negatiivne tüürimpulss muudab transistori ajavahemikuks t₂ mittejuhtivaks, katkestades seega primaarvooluahela, indutseerib kahanev magnetväli sekundaarahelas vastassuunalise polaarsusega pinge. Trafo mähiste kerimissuund (algused tähistatud punktiga) on niisugune, et selle pinge mõjul muutub diood juhtivaks ja tema kaudu laadub kondensaator väljundpingeni (trafo magnetvälja salvestunud energia arvel) ja koormust läbib vool.

Neil ajavahemikel, kui lülitustransistor on juhtiv ja diood suletud (mittejuhtiv), hoiab koormusvoolu alal kondensaatori laeng. Väljundpinge väärtus oleneb trafo mähiste keerdude arvu suhtest ja on muudetav transistori lülitusaegade suhtega (täiteteguriga).

Üheastmelise energiaülekandega alalispingemuundur

Pärilülituses dioodiga (üheastmelise) alalispingemuunduri põhimõtteskeem

Üheastmelise energiaülekandega (pärilülituses dioodiga) muundur (ingl forward converter) on niisugune galvaanilise eraldusega alalispingemuundur, milles energiaülekanne toimub otse sisendist väljundisse sel ajavahemikul, kui lüliti on sisselülitatud olekus (lülitustransistor juhtiv).

Sisendit ja väljundit galvaaniliselt eraldava trafo sekundaar- ja primaarmähise keerdude arvu suhe määrab väljundpinge väärtuse. Trafo sekundaarpoolel järgneb kõrgendava pingemuunduriga sarnane lülitus, mis koosneb alaldavast dioodist D1, energiat salvestavast induktiivpoolist L1 ja väljundpinget siluvast kondensaatorist C1.

Piirikdiood (ingl flyback diodea) D2 avaneb induktiivahela katkestamisel tekkiva eneseinduktsiooni pingeimpulsi korral, kaitstes ühtlasi lülitust liigpinge eest (niisuguseks dioodiks sobib Zeneri diood).

Trafo südamik

Vaadeldava skeemi korral tuleb magneetimisvool võimalikult väike hoida, sest põhjustab sisendahela juhtivas faasis soojusena eralduvat energiakadu. Seepärast valmistatakse südamik suure magnetilise läbitavusega magnetiliselt pehmest materjalist ja koostatakse ilma õhupiluta. Kasuteguri parandamiseks on tegelikes lülitustes trafol lisaks primaat- ja sekundaarmäisele ka eraldi demagneetimismähis.

Tööpõhimõte

Jälgime pinge muundamise käiku lüliti kahes olekus.

Kui lüliti on suletud olekus (lülitustransistor juhtiv), läbib vool trafo primaarmähist ja vastavalt ülekandetegurile (trafo mähiste keerdude arvu suhtele) ka sekundaarmähist. Mähised on ühendatud niiviisi (mähiste algused tähistatud punktiga), et läbi pärilülituses dioodi D1 jõuab vool induktiivpooli L1 kaudu koormusele ja laeb ühtlasi kondensaatorit. Koormusel on pinge U_välj.

Kui lüliti katkestab sisendahela, langeb ka pinge dioodi anoodil ja diood ei lase enam voolu läbi. Induktiivpooli elektrilaenguna salvestunud magnetvälja energia püüab vabaneda, kusjuures kahanev magnetväli indutseerib sekundaarahelas vastassuunalise polaarsusega pingeimpulsi. Selle tulemusena muutub diood D2 juhtivaks ja teda läbiva vooluga kandub pooli energia kondensaatorisse ja seega ka koormusele. Nii püsib väljundpinge koormusel peaaegu muutumatuna ka lüliti väljalülitatud olekus.