Prekidački izvori napajanja (SMPS – Switching-Mode Power Supply ili jednostavno switcher) su elektronski izvori napajanja u kojima tranzistori rade u prekidačkom režimu. Za razliku od linearnih izvora napajanja, gde se napon reguliše disipiranjem viška snage na tranzistoru snage, prekidački izvor velikom brzinom prebacuje tranzistor između stanja zasićenja i zakočenja stvarajući pravougaoni napon čija je srednja vrednost jednaka željenom izlaznom naponu.
Kako bi se dobio željeni izlazni jednosmerni napon, dobijeni pravougaoni napon se propušta kroz niskofrekventni filtar, sastavljen od kondenzatora i kalemova. Pošto je snaga disipacije tranzistora u režimima zakočenja i zasićanja mnogo manja nego u aktivnom režim, tako ovakvi izvori napajanja imaju visok stepen iskorišćenja (veći od 80% što predstavlja i glavnu prednost ovakvih izvora napajanja). Ostale prednosti su manje dimenzije i težina jer nema potrebe za glomaznim i teškim transformatorima, kao i manje zagrevanje. Nedostaci ovako realizovanih izvora napajanja su povećana složenost, visokofrekventna energija koja može da izazove elektromagnetnu interferenciju, kao i veći nivo smetnji na izlazu zbog prekidačkog rada.
Prekidački izvor napajanja se, grubo rečeno, sastoji iz četiri dela: ulaznog ispravljačkog stepena, invertorskog stepena i izlaznog ispravljačkog stepena i stepena za regulaciju.
Ulazni ispravljački stepen pretvara naizmenični napon u jednosmerni. Ispravljač proizvodi pulsirajući jednosmerni napon koji se zatim „pegla“ kroz RC filtar. Ovakav pulsirajući napon smanjuje faktor snage. Zato se u kvalitetnijim prekidačkim izvorima ugrađuje i stepen za korekciju faktora snage. Često se unutar ulaznog stepena implementira i udvostručavač napona, kako bi izvor mogao da radi sa ulaznim naponima reda 120V i 240V. Odabir ulaznog napona se uglavnom podešava prekidačem.
Invertorski stepen pretvara jednosmerni napon u naizmenični visoke učestanosti (reda desetina ili stotina kHz). Kako bi bila nečujna za ljudsko uvo, učestanost se bira da bude iznad 20kHz. Prekidanje se uglavnom vrši pomoću MOSFET-ova jer su mnogo efikasniji od bipolarnihi tranzistora u prekidačkom režimu rada (manja otpornost i veće dozvoljene struje).
Izlazni ispravljački stepen najčešće počinje sa izlaznim visokofrekventnim transformatorom. On povećava ili smanjuje napon na željeni nivo, ali i odvaja ulaz od izlaza. Napon sa transformatora se zatim ispravlja kako bi se dobio jednosmerni napon. U zavisnosti od izlaznih napona koriste se silicijumske ili Šotkijeve diode ili za veoma male napone, MOSFET-ovi kao sinhroni ispravljači. I ovde se ispravljeni napon “pegla” pomoću kondenzatora i kalemova. Stepen za regulaciju čini povratna sprega. Ona upoređuje izlazni napon sa referentnim naponom, koji je ručno ili elektronski postavljen na željeni nivo. Ako postoji greška u veličini izlaznog napona, povratna sprega kompenzuje tako što podešava period vremena u kojem su MOSFET-ovi uključeni.
Prekidački izvori napajanja se zbog svojih karakteristika koriste kao izvori napajanja u računarima, televizorima i u mnogim drugim aparatima koji se koriste u domaćinstvu. Zbog malih dimenzija koriste se u punjačima prenosivih uređaja (mobilni telefoni, prenosivi računari itd).
Postoji nekoliko vrsta prekidačkih izvora:
- Prekidački spuštač napona;
- Prekidački podizač napona;
- Prekidački obrtač napona;
- Flyback konvertor;
- Forward konvertor;
- Push-Pull konvertor;
- Polumostni konvertor;
- Punomostni konvertor;
- Ćuk konvertor i drugi.
Prekidački spuštač napona (buck konvertor)
Sastoji se od prekidačkih elementa (tranzistora i diode) i dva reaktivna elementa (kalema i kondenzatora, slika 1). Kao što i sam naziv kaže, koristi se za spuštanje napona. U ovu svrhu najjednostavnije je koristiti naponski razdelnik, ali na njemu je velika disipacija energije, a i izlazni napon nije moguće regulisati. Buck konvertor je samoregulišući, a stepen iskorišćenja je oko 95%. Često se koristi za smanjenje napona baterije (12 ili 24V) na napon potreban za rad procesora (nekoliko volti).
Slika 1. Šema Buck konvertora.
Prekidački podizač napona (Boost konvertor)
Koristi iste komponente kao i buck konvertor, ali povezane na drugačiji način. Primenu je našao tamo gde je potreban veći napon od napona baterije, a gde nema mesta redno vezati još nekoliko baterija (slika 2).
Slika 2. Šema Boost konvertora
Prekidački obrtač napona (inverter regulator ili Buck-boost konvertor)
Za razliku od prethodna dva, ovaj konvertor može da na izlazu daje napon koji je ili veći ili manji od ulaznog, jedino što je suprotnog polariteta u odnosu na ulazni (ako je ulazni napon bio pozitivan, izlazni je negativan i obrnuto). Šema ovog konvertor prikazana je na slici 3.
Slika 3. Buck-boost konvertor
Flyback konvertor
Identičan je buck-boost konvertoru, stim da je kalem zamenjen transformatorom, kako bi se ulaz i izlaz galvanski razdvojili. Princip rada je isti kao i kod Buck-boost konvertora.
Slika 4. Šema Flyback konvertora
Ćuk konvertor
Ćuk konvertor (slika 5) se sastoji od dva kalema, dva kondenzatora, prekidača (tranzistora) i diode. Za prebacivanje energije sa ulaza na izlaz koristi se kondenzator, za razliku od većine izvora koji za to koriste kalem. Ćuk konvertor, kao i prekidački obrtač napona, može da daje veći ili manji napon od ulaznog, koji je suprotnog polariteta.
Slika 5. Šema Ćuk konvertora
Treba napomenuti da je Ćuk konverter 1978. godine konstruisao prof. dr Slobodan Ćuk. On je za ovaj izum dve godine kasnije dobio nagradu časopisa Industrial Research. Slobodan Ćuk je diplomske studije završio na beogradskom ETF-u, a postdiplomske u Americi. Do 2000. godine bio je redovni profesor na California Institute of Technology.
