Flyback-muunnin

Virran sisäänmenon ja ulostulon välisellä galvaanisella eristyksellä varustettua Flyback-tyyppistä muunninta voidaan käyttää sekä vaihtovirta/tasavirta (AC-DC), että tasavirta/tasavirta (DC-DC) muunnoksissa. Flyback on muunnos Buck-Boost-muuntimesta, jossa kela on paloiteltu muodostamaan muuntaja siten, että jännitesuhteita muunnetaan lähtöjännitteen kerrannaisilla ja Flyback-muuntajasta saadaan lisäksi eristysetua.

Flyback on useampien DC-DC-muuntimien joukosta yksi muutamista galvaanisesti eristetyistä muuntimista. Galvaanisella eristyksellä tarkoitetaan piirin tulo- ja lähtöpuolen erottamista toisistaan siten, että suoraa DC-johdintietä ei osien välillä ole, vaan energian välittymisperuste on esimerkiksi sähkömagneettinen induktio.

Flyback-muuntimen rakenne ja periaate

Kuva 1. Piirin rakenne

Flyback-muunnin on DC-DC-muuntimien erään perusmuotoisen Buck-Boost-mallista kehitetty muoto, jossa kela on korvattu muuntajalla. Siksi näiden kahden muuntimen perustoimintaperiaatteet ovat lähellä toisiaan, mutta näistä Flyback-toteutus perustuu suurimmaksi osaksi Flyback-muuntajan toimintaperiaatteeseen. Koska Flyback on johdettu Buck-Boost- topologiasta, sillä on suunnilleen samat huonot puolet Buck-Boost-muuntimen kanssa: energiaa kerätään lähteestä vain, kun mosfet-kytkin on päällä ja energia input-puolelta välitetään output-puolelle vain mosfet-kytkimen ollessa pois päältä. Näissä kummassakin muuntimessa on tämä erityisominaisuus.

Energian välittyminen puolelta toiselle tapahtuu muuntajan (Flyback Transformer) kautta sähkömagneettisen induktion avulla. Flybackissä muuntaja ei ole tavanomainen, jossa energia välitetään välittömästi ensiöpuolelta puolelta toisiopuolelle, vaan se toimii ikään kuin lukuisat kelat samassa ytimessä.

Kun kytkin on auki, ensiöpuolen virta ja magneettivuo putoaa. Toisiopuolen jännite on tällöin positiivinen ja diodi on eteenpäin biasoitu. Energia muuntajan ytimestä uudelleen varaa kelan ja välittää sen kuormalle.

Flyback-muuntimen toiminta

Kuva 2. Toimintaperiaate on- ja off -tilassa

Flybackin toiminta voidaan yksinkertaisimmillaan kuvailla seuraavasti:

Kun kytkin on suljettu, muuntajan ensiöpuoli on suoraan kytkeytynyt sisääntulon jännitelähteeseen. Ensiöpuolen virta ja magneettivuo lisääntyy tallentaen energiaa muuntajaan. Jännite, joka indusoituu muuntajan toisiopuolelle on negatiivinen siten, että diodi on käänteisesti varautunut (ts. estosuunnassa). Jännite muuntajan toisiopuolella nousee aluksi hyvin nopeasti (normaalisti alle millisekunnissa) tasaantuen olosuhteiden johdosta. Tämän jälkeen ulostulopuolen kela välittää energian ulkoiseen kuormaan.

Flyback-muuntimen toimintatilat

Edellä kuvattua sykliä voidaan toistaa jatkuvasti. Jos toisiopuolen virta muuntajassa annetaan purkautua kokonaan nollaksi (yhtään energiaa ei jää muuntajan ytimeen, tällöin sanotaan, että muuntaja toimii epäjatkuvassa toimintatilassa (Discontinuous Conduction Mode, DCM)). Jos jotain energiaa jätetään joka kerta talletetuksi ytimeen (ja virran muoto näyttää enemmän trapetsin muotoiselta kuin kolmiomaiselta), niin silloin tätä sanotaan jatkuvaksi toimintatilaksi (Continuous Conduction Mode, CCM). Tätä terminologiaa käytetään erityisesti virtalähteiden Flyback-muuntajissa.

Energian tallentaminen muuntajaan ennen kuin se siirretään muuntimen ulostulopuolelle mahdollistaa helposti useamman ulostulon hyvin pienillä lisäpiirien lisäyksillä, vaikkakin ulostulojännitteiden täytyy sopia toisiinsa sopivissa suhteissa käämityskierroksiin.

Flyback-muuntimen kontrollointi

Tarvittaessa voidaan kontroilloida järjestelmän toimintaa, ennen kuin energian sallitaan siirtyä muuntajasta eteenpäin. Tämä toteutetaan antamalla pulssikoodi moduloidun (Pulse-Width Modulation, PWM) mikrokontrollerin avata ja välittää tarpeeksi energiaa muuntajalle. Flyback-muuntimen ohjaamisessa käytetään yleensä tätä mikrokontrolleria. Joskus Flyback-muunnin sisältää myös optoerottimen.

PWM-mikrokontrollereissa on kaksi vallitsevaa kontrollointitapaa, jotka ovat jännitepohjainen ohjaus (voltage mode control) ja virtapohjainen ohjaus (current control mode). Virtapohjainen ohjaus on näistä tavoista hallitseva. Tällä järjestelmän toiminta voidaan pitää vakaana. Molemmat tarvitsevat ulostulojännitteeseen liittyvää takaisinkytkentäsignaalia. Ensimmäinen keino on käyttää optoerotinta toisiopiirisä ja lähettää se kontrollerille. Toinen keino on tehdä erillinen kierros kelalle ja turvautua ristiinregulointiin (cross regulation) suunnittelussa. Kolmas keino on ottaa näytteitä jännitteen aallonpituudesta ensiöpuolella purkautumisen aikana.

Huonoja puolia

• Sähkövirtojen ja -jännitteiden rippelit sekä tulossa että lähdössä ovat korkeita
• Ytimellä on heikko hyötysuhde, jonka vuoksi muuntaja on suurikokoinen
• Kytkimen aukaisutilanteessa toisiopuolelle siirtynyt energia heijastuu takaisin ensiöpuolelle
• Korkeiden rippelivirtojen vuoksi Flyback-muunnin ei ole kovin suorituskykyinen
• Flyback-muuntimessa esiintyvät jännitepiikit rasittavat muita komponentteja
• Sähkömagneettiset häiriöt ovat mahdollisia

Etuja

• Flyback-muuntimen etuna muihin galvaanisesti eristettyihin DC-DC-muuntimiin verrattuna on magneettisen energian varastoituminen muuntajaan
• Flyback-muuntimen toteutukseen tarvittavien osien määrä on vähäinen, joten tämän tyyppinen hakkuriteholähde voidaan tehdä pienikokoiseksi
• Yksi Flyback- topologian pääeduista on mahdollisuus operoida suuremmalla kuin 50 %:n pulssisuhteella
• Yksinkertaisuutensa ansiosta Flyback-muunnin voidaan toteuttaa kustannustehokkaasti
• Flyback-muuntimeen on rakennettavissa helposti useita ulostuloja
• Heikkouksistaan huolimatta Flyback-muunnin on erittäin hyvä valinta pienitehoisiin sovelluksiin

Sovelluksia

• pienitehoiset ja/tai korkeajännitteiset sovellukset
• tietokoneiden virtalähteet ja halvat moniulostuloiset virtalähteet
• kuvaputkinäytöt
• kännykän laturit, LED-valaistus, hakkurisovelluksetja tehokertoimen korjaajat
• korkeajännitteiset laitteet (xeon-valot, laserit, kopiokoneet)

Katso myös

• Juovamuuntaja

Lähteet

• Vakkuri Riku: Oulun yliopisto, Kandidaatintyö, Sähkötekniikan tutkinto-ohjelma 2017, Flyback-tyyppisen DC-DC -muuttajan suunnittelu ja simulointi
• [PDF] http://jultika.oulu.fi/files/nbnfioulu-201803201371.pdf
• [PDF] The Flyback Converter - Lecture notes - ECEN4517 - Department of Electrical and Computer Engineering - University of Colorado, Boulder. (Arkistoitu – Internet Archive)
• Sclocchi, Michele Texas Instruments, EEtimes, 10/25/2011, Design How-To; Step-by-step for an optimized Flyback supply design (Pt 1 of 2)
• https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279175

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Flyback-muunnin Wikimedia Commonsissa