Spínané stabilizované zdroje jsou často dokonce menší než obdobné lineární stabilizátory a v drtivé většině případů mají mnohem lepší účinnost, takže se méně hřejí a významně šetří energii zejména u zařízení napájených z baterií a akumulátorů. Ukažme si na dvou příkladech, co je dobré při jejich aplikaci vědět.
Spínané zdroje (měniče) jsou typicky navržené jako snižující napětí (Step-Down), zvyšující napětí (Step-Up) nebo dovedou obojí, pak se značí jako Step Up / Step Down.
Snižující měnič by měl mít za všech okolností na vstupu nejméně o 1 V vyšší napětí, než je požadováno na výstupu, u některých je ale povolena menší odchylka – okolo 0,5 V – a jiné mají předepsaný rozdíl nejméně 2 V, podobně jako většina lineárních stabilizátorů. Je obecně jednodušší udělat na větší proud snižující než zvyšující měnič, a také snižující měniče mívají lepší účinnost než zvyšující, takže pokud to jde a máme možnost výběru, bývá výhodnější zvolit snižující měnič.
Nejlepších výsledků zpravidla dosáhneme, když je napětí na vstupu 1,5x až 2,5x vyšší než požadované napětí na výstupu, měnič pak pracuje v optimálním režimu. Pokud je napětí na vstupu jen o málo vyšší než požadované, příliš to nevadí, účinnost je horší, ale nikoli výrazně. Při výrazně vyšším napětí vstupu (>4x) se už malé měniče bez transformátoru dostávají do režimu, který také není dobrý, takové situaci se snažíme vyhnout. Například chceme-li na výstupu stabilizovat napájecí napětí třeba 5 V, je dobrý rozsah vstupního napětí 7 až 9 V a výborný 9 až 15 V.
Je-li u snižujícího měniče udán maximální proud, pak je to zpravidla proud na výstupu, který je vždy větší, než proud na vstupu.
Zvyšující měniče bez transformátoru obvykle mohou mít na vstupu napětí od udávaného minima až přesně po napětí na výstupu, ale nikdy nesmí být na vstupu víc. Účinnost bývá tím lepší, čím je rozdíl výstupního a vstupního napětí menší. Dobrých parametrů měniče dosahují, když je na vstupu polovina výstupního napětí, při třetině už je účinnost mnohem horší a větší poměr se dá využívat spíše výjimečně.
Je-li u měniče udán maximální proud, pak to bývá zpravidla proud na vstupu, který je vždy větší, než proud na výstupu. I když je výslovně udán výstupní proud, je obvyklé, že je to proud při nejlepší účinnosti (nejmenším rozdílu napětí) a když bude měnič zvyšovat napětí třeba 2x, nebude možné tohoto proudu dosáhnout.
Up/Down měniče jsou kombinací obou předchozích, mohou pracovat i při rovnosti napětí na vstupu a výstupu, ale nejlepších parametrů stejně dosahují jako snižující.
Zkoušené vzorky – vlevo nastavitelný zdroj S7V8A, vpravo pevný zdroj 5V označený D24V3F5
Malý snižující měnič D24V3F5 má pevně nastavené výstupní napětí 5,0 V a povolený maximální výstupní proud 300 mA. Povolený pracovní rozsah vstupního napětí je 6 až 42 V. Maximální odběr měniče bez zátěže je 2 mA. Spínací frekvence je vysoká, přes 1 MHz.
Porovnání velikosti spínaného měniče a lineárního stabilizátoru 7805 v pouzdru TO220 (foto ze stránek výrobce www.pololu.com)
Měnič má čtyři vývody, dodává se s nezapájeným konektorem a dvěma konektory na výběr, kromě úhlového (na fotografii) lze použít i přímý, jehož kontakty jsou kolmé k DPS. Vývody jsou popsány na zadní straně desky, Vin je vstup napětí, Vout výstup napětí a GND společná zem. Čtvrtý vývod SHDN povoluje nebo blokuje činnost měniče. Když jej spojíme s Vin (nebo přivedeme napětí >2,3 V a ovládáme jej logickým signálem), měnič pracuje, při spojení se zemí se zablokuje a odebírá jen nepatrný proud kolem 20 μA.
Graf účinnosti (foto ze stránek výrobce www.pololu.com)
Zdroj má vlastní integrované ochrany, při přehřátí nebo překročení proudu by se měl vypnout, je však lepší na to nespoléhat. Účinnost se pohybuje typicky mezi 80% a 90%, při vstupním napětí 12 V a odběru 0,2 – 0,3 A je nejlepší. Špičky napětí na vstupu nad 42 V spolehlivě zničí řídící integrovaný obvod, proto se při vstupním napětí vyšším než 20 V doporučuje připojit na vstup kondenzátor 33 μF / 50 V (lépe 100 μF / 50 V) a případně i obvod omezující špičky – například s transilem. Tento měnič může výhodně nahradit lineární integrované stabilizátory ve většině zařízení, kde stačí jeho relativně malý proud.
Spínaný Up/Down zdroj S7V8A má nastavitelné výstupní napětí v rozsahu 2,5 až 8 V, vstupní napětí se může pohybovat od 2,7 do 11,8 V. V optimálním případě lze odebírat proud až 1 A (krátce přes 1,5 A), nicméně většinou lze počítat s 0,5 A a ve velmi nepříznivých režimech (například výstup 7,5 V a vstup 2,7 V) jen s proudem 0,25 A.
Takto se měnič dodává (foto ze stránek výrobce www.pololu.com)
To, že je napětí nastavitelné, ještě neznamená, že by se dalo a mělo pravidelně měnit, trimr umožňuje jeho regulaci, ale nevydrží časté používání. K tomu není určen. Kromě toho průběh nastavení dovoluje přesnou práci s malými napětími do 5 V, dál už je změna i při nepatrném pohybu jezdcem trimru velmi výrazná a ne zcela stabilní.
Vývody jsou podobné jako u předchozího měniče, Vin (vstup napětí), Vout (výstup napětí) a GND (společná zem). Čtvrtý vývod SHDN při napětí menším než 0,4 V blokuje činnost, při napětí >1,2 V povoluje činnost (a může být i trvale spojen s Vin).
Účinnost měniče S7V8A
Graf účinnosti při různém napájení a výstupu 7,5 V výborně ilustruje vlastnosti, které byly uvedy výše. Černá a šedá křivka odpovídají snižujícímu režimu, účinnost je většinou nad 90% a při odběru kolem 0,5 A dosahuje až 95%. Ostatní křivky už patří zvyšujícímu režimu a čím je poměr napětí větší, tím je hůř. Při 2,7 V a odběru 300 mA (víc ani nedá) účinnost klesá asi na 65%.
Tento měnič se velmi hodí například při napájení zařízení z baterií. Můžeme jich použít víc sériově, stabilizuje napětí pro elektroniku a snižuje proud odebíraný z baterií, přitom z nich dokáže „vycucat“ prakticky všechnu využitelnou energii. Například když chceme napájecí napětí 5 V a použijeme 6 alkalických tužkových článků sériově, je počáteční napětí 9 V (to by lineární stabilizace pracovala velmi neefektivně), ale v konci vybíjení už jen 4,8 V, to už měnič přešel do zvyšujícího režimu, ale stále drží stabilní napětí. Pracuje dokonce dál a využije i zbylou energii až na doraz.
Vynikající je při napájení z NiMH akumulátorů, kterým záhy kvůli zvýšenému vnitřnímu odporu klesá napětí. Při přímém napájení by je už zařízení muselo vyhodnotit jako vybité, i když ještě mají až 80% energie. Měnič sice pracuje v tomto případě většinou ve zvyšujícím režimu, ale s malým rozdílem napětí, takže s přijatelnou účinností. Kromě toho se měnič S7V8A velmi hodí i k při napájení zařízení ze 3 až 4 superkondenzátorů v sérii, tam se plně uplatní jak jeho snižující tak zvyšující režim.