Co je to spínaný napájecí zdroj a jak se liší od konvenčního analogu

U mnoha elektrických spotřebičů se princip implementace sekundární energie již dlouho používá prostřednictvím použití dalších zařízení, která jsou pověřena funkcí dodávat elektřinu obvodům, které potřebují energii z určitých typů napětí, frekvence, proudu ...

Za tímto účelem jsou vytvářeny další prvky: napájecí zdrojetransformace napětí jednoho typu na jiný. Mohou to být:

• vestavěný do pouzdra spotřebitele, jako na mnoha mikroprocesorových zařízeních;

• nebo jsou vyrobeny samostatnými moduly s připojovacími dráty, podobnými konvenční nabíječce na mobilním telefonu.

V moderní elektrotechnice dva principy přeměny energie pro elektrické spotřebiče založené na:

1. použití analogových transformátorových zařízení pro přenos energie do sekundárního obvodu;

2. spínané napájecí zdroje.

Mají zásadní rozdíly v designu, pracují na různých technologiích.

Napájecí zdroje transformátorů

Zpočátku byly vytvořeny pouze takové návrhy. Mění strukturu napětí v důsledku provozu výkonového transformátoru napájeného domácí sítí 220 V, ve kterém klesá amplituda sinusové harmonické harmonie, a poté jsou posílány do usměrňovače sestávajícího z výkonových diod, které jsou obvykle připojeny podle můstkového obvodu.

Poté je zvlněné napětí paralelně vyhlazeno kapacitancí vybranou podle hodnoty přípustného výkonu a je stabilizováno polovodičovým obvodem s výkonovými tranzistory.

Změnou polohy ladících odporů ve stabilizačním obvodu je možné upravit napětí na výstupních svorkách.

Spínané napájecí zdroje (UPS)

Takový vývoj designu se objevil ve velkém počtu před několika desetiletími a začal si užívat rostoucí popularitu v elektrických zařízeních kvůli:

• dostupnost dokončení společné základny prvků;

• spolehlivost při provádění;

• možnosti rozšíření pracovního rozsahu výstupních napětí.

Téměř všechny zdroje spínaného napájení se liší konstrukcí a pracují podle jednoho schématu typického pro jiná zařízení.

Hlavní části napájecích zdrojů zahrnují:

• síťový usměrňovač sestavený z: vstupních tlumivek, elektromechanického filtru, který zajišťuje detekci rušení a izolace statiky kondenzátory, síťovou pojistkou a diodovým můstkem;

• kumulativní filtrační kapacita;

• klíčový výkonový tranzistor;

• hlavní oscilátor;

• obvod zpětné vazby vyrobený na tranzistorech;

• optočlen;

• spínací napájecí zdroj, z jehož sekundárního vinutí je emitováno napětí pro přeměnu na výkonový obvod;

• usměrňovací diody výstupního obvodu;

• výstupní napětí řídicího obvodu, například 12 voltů, s vyladěním na optočlenu a tranzistorech;

• filtrační kondenzátory;

• výkonové tlumivky, vykonávající úlohu korekce napětí a jeho diagnostiku v síti;

• výstupní konektory.

Příklad elektronické desky podobného spínaného napájecího zdroje s krátkým označením základny prvku je znázorněn na obrázku.

Jak se spíná napájení

Spínaný napájecí zdroj produkuje stabilizované napájecí napětí pomocí principů interakce prvků invertorového obvodu.

Síťové napětí 220 voltů je přiváděno přes připojené vodiče k usměrňovači. Jeho amplituda je vyhlazena kapacitním filtrem díky použití kondenzátorů odolávajících špičkám řádově 300 voltů a je oddělena interferenčním filtrem.

Vstup diodový most usměrňuje sinusoidy, které jím procházejí, které jsou transformovány tranzistorovým obvodem na vysokofrekvenční a pravoúhlé impulzy s určitým pracovním cyklem. Lze je převést:

1. s galvanickým oddělením napájecí sítě od výstupních obvodů;

2. bez provedení takové rozuzlení.

Izolované spínané napájení

V tomto případě jsou vysokofrekvenční signály vysílány do pulzního transformátoru, který provádí galvanické oddělení obvodů. Kvůli zvýšené frekvenci se zvyšuje účinnost použití transformátoru, zmenšují se rozměry jeho magnetického obvodu a hmotnost. Nejčastěji se feromagnety používají pro materiál takového jádra a elektrická ocel se v těchto zařízeních prakticky nepoužívá. Pomáhá také minimalizovat celkový design.

Jedna z verzí spínaného napájecího obvodu s izolací transformátorů obvodů je zobrazena na obrázku.

V takových zařízeních existují tři vzájemně propojené řetězce:

1. PWM ovladač;

2. kaskáda vypínačů;

3. pulzní transformátor.

Jak funguje PWM kontrolér?

Řadič je zařízení, které řídí proces. V uvažované napájecí jednotce jde o proces konverze modulace šířky impulsu. Je založen na principu generování impulsů stejné frekvence, ale s různými spínacími časy.

Dodávka hybnosti odpovídá označení logické jednotky a nepřítomnost odpovídá nule. Navíc jsou všechny si rovny velikostí a frekvencí (mají stejnou periodu oscilace T). Doba trvání zapnutého stavu jednotky a její vztah ke změně periody a umožňují ovládat provoz elektronických obvodů.

Typické změny v sekvencích SHIP jsou uvedeny v grafu.

Řídicí jednotky obvykle vytvářejí takové impulsy s frekvencí 30 ÷ 60 kHz.

Příkladem je řadič vytvořený na čipu TL494. K úpravě frekvence generování jeho pulzů se používá obvod sestávající z rezistorů s kondenzátory.

Pracovní kaskáda vypínačů

Skládá se z výkonných tranzistorů vybraných z bipolárních, polních nebo IGBT modelů. Pro jiné tranzistory s nízkým výkonem nebo integrované ovladače mohou být pro ně vytvořeny individuální řídicí systémy.

Vypínače lze zapnout různými způsoby:

• chodník;

• poloviční most;

• se středem.

Pulzní transformátor

Primární a sekundární vinutí namontovaná kolem magnetického jádra feritu nebo alsiferu může spolehlivě vysílat vysokofrekvenční impulsy s frekvencí až 100 kHz.

Jejich práci doplňují řetězce filtrů, stabilizátorů, diod a dalších komponent.

Spínané napájecí zdroje bez galvanické izolace

Ve spínacích zdrojích navržených podle algoritmů, které vylučují galvanickou izolaci, se nepoužívá vysokofrekvenční izolační transformátor a signál jde přímo do dolního propustného filtru. Podobný princip fungování obvodu je uveden níže.

Vlastnosti stabilizace výstupního napětí

Všechny spínací zdroje napájení obsahují prvky, které poskytují negativní zpětnou vazbu s výstupními parametry. Díky tomu mají dobrou stabilizaci výstupního napětí při měnících se zátěžích a kolísáních v napájecí síti.

Metody implementace zpětné vazby závisí na schématu používaném k provozování napájení. Může být provedeno v jednotkách pracujících s galvanickou izolací kvůli:

1. přechodný účinek výstupního napětí na jedno z vinutí vysokofrekvenčního pulzního transformátoru;

2. Použití optočlenu.

V obou případech tyto signály řídí pracovní cyklus impulsů dodávaných na výstup PWM regulátoru.

Při použití obvodu bez galvanické izolace se zpětná vazba obvykle vytvoří připojením odporového děliče napětí.

Výhody přepínání napájecích zdrojů oproti konvenčním analogům

Při porovnání návrhů bloků se stejnými ukazateli výkonu mají spínací zdroje napájení následující výhody:

1. snížená hmotnost;

2. zvýšená účinnost;

3. nižší náklady;

4. rozšířený rozsah napájecího napětí;

5. přítomnost vestavěných ochran.

1. Snížená hmotnost a rozměry spínacích zdrojů jsou vysvětleny přechodem z nízkofrekvenčních energetických přeměn výkonnými a těžkými výkonovými transformátory s řídicími systémy umístěnými na velkých chladicích radiátorech a pracujícími v konstantním lineárním režimu na pulzní konverzní a regulační technologie.

Zvýšením frekvence zpracovaného signálu se zmenší kapacita napěťových filtrů a tím i jejich rozměry. Rovněž je jejich schéma narovnání zjednodušeno až do přechodu na nejjednodušší půlvlnu.

2. U nízkofrekvenčních transformátorů dochází k významnému podílu energetických ztrát v důsledku uvolňování a rozptylu tepla při provádění elektromagnetických transformací.

V impulsních blocích jsou největší energetické ztráty vytvářeny během výskytu přechodných stavů při přepínání kaskád klíčů napájení. A po zbytek času jsou tranzistory ve stabilní poloze: otevřené nebo uzavřené. Za této podmínky jsou vytvořeny všechny podmínky pro minimální ztrátu elektřiny, kdy účinnost může být 90 ÷ 98%.

3. Cena spínaných zdrojů napájení se postupně snižuje díky pokračujícímu sjednocení základny prvků, které je vytvářeno širokou škálou plně mechanizovaných podniků s robotickými stroji. Kromě toho provozní režim výkonových prvků na základě ovládaných klíčů umožňuje použití méně výkonných polovodičových součástí.

4. Pulzní technologie umožňuje napájet jednotky ze zdrojů napětí s různými frekvencemi a amplitudami. To rozšiřuje rozsah jejich aplikace v provozních podmínkách s různými standardy elektrické energie.

5. Díky použití polovodičových modulů malé digitální technologie je možné spolehlivě integrovat ochrany do konstrukce pulzních bloků, které řídí výskyt zkratových proudů, odpojují zátěže na výstupu zařízení a další nouzové režimy.

Pro konvenční napájecí zdroje transformátorů byly takové ochrany vytvořeny na staré elektromechanické, reléové a polovodičové základně. Použití digitální technologie na ně ve většině systémů nemá smysl. Výjimkou jsou potravinářské případy:

• řídicí obvody nízkého výkonu složitých domácích spotřebičů;

• nízko přesná řídicí zařízení s vysokou přesností, například pro měřicí zařízení nebo metrologické účely (digitální elektroměry, voltmetry).

Nevýhody spínání napájecích zdrojů

Rušení V / h

Protože spínané napájecí zdroje pracují na principu převádění vysokofrekvenčních impulsů, vytvářejí v jakékoli konstrukci interference přenášené do okolí. To vytváří potřebu je různými způsoby potlačovat.

V některých případech může být potlačení šumu neefektivní, což vylučuje použití spínaných zdrojů napájení pro určité typy přesných digitálních zařízení.

Omezení výkonu

Spínané napájecí zdroje mají kontraindikaci pro práci nejen při vysokých, ale i nízkých zatíženích. Pokud dojde k prudkému poklesu proudu mimo minimální kritickou hodnotu ve výstupním obvodu, spouštěcí obvod může selhat nebo jednotka vydá napětí se zkreslenými technickými charakteristikami, které se nehodí do provozního rozsahu.

A v tomto článku si přečtěte o oprava spínacích zdrojů.