Какво представлява комутационното захранване и как се различава от конвенционалния аналог

При много електрически уреди принципът за осъществяване на вторичната мощност отдавна се прилага чрез използването на допълнителни устройства, на които е възложена функцията да осигуряват електричество на вериги, които се нуждаят от енергия от определени видове напрежение, честота, ток ...

За това се създават допълнителни елементи: захранванияпреобразуване на напрежението от един тип в друг. Те могат да бъдат:

• вграден в случая на потребителя, както в много микропроцесорни устройства;

• или направени от отделни модули със свързващи проводници, подобно на конвенционално зарядно на мобилен телефон.

В съвременната електротехника два принципа за преобразуване на енергия за електрически потребители, базирани на:

1. използването на аналогови трансформаторни устройства за предаване на мощност към вторичната верига;

2. превключване на захранващи устройства.

Те имат фундаментални различия в дизайна си, работят по различни технологии.

Трансформаторни захранвания

Първоначално са създадени само такива дизайни. Те променят структурата на напрежението поради работата на силов трансформатор, захранван от 220 волтова домакинска мрежа, при който амплитудата на синусоидалната хармоника намалява, след което се изпращат към изправително устройство, състоящо се от силови диоди, които обикновено са свързани според мостовата схема.

След това напрежението на пулсации се изглажда успоредно с капацитет, избран според стойността на допустимата мощност, и се стабилизира от полупроводникова верига с мощност транзистори.

Чрез промяна на позицията на настройващите резистори в стабилизиращата верига е възможно да се регулира напрежението на изходните клеми.

Превключващи захранвания (UPS)

Подобни дизайнерски разработки се появиха в голям брой преди няколко десетилетия и започнаха да се радват на все по-голяма популярност в електрическите устройства поради:

• наличието на попълване на обща елементарна база;

• надеждност при изпълнение;

• възможностите за разширяване на работния диапазон на изходните напрежения.

Почти всички източници на превключващо захранване се различават леко по дизайн и работят по една схема, характерна за други устройства.

Основните части на захранването включват:

• мрежов изправител, сглобен от: входни дросели, електромеханичен филтър, който осигурява отделяне от смущения и изолация на статиката с кондензатори, електрически предпазител и диоден мост;

• кумулативен капацитет за филтриране;

• ключов силов транзистор;

• главен осцилатор;

• схема за обратна връзка, направена на транзистори;

• оптрон;

• комутационно захранване, от вторичната намотка на което се подава напрежение за преобразуване в електрическа верига;

• изправителни диоди на изходната верига;

• контролни вериги на изходното напрежение, например 12 волта с настройка, направена на оптрон и транзистори;

• филтърни кондензатори;

• силови дросели, изпълняващи ролята на корекция на напрежението и неговата диагностика в мрежата;

• изходни конектори.

Пример за електронна платка с подобно комутационно захранване с кратко обозначение на елемента на базата е показан на снимката.

Как се превключва захранване

Превключващото захранване произвежда стабилизирано захранващо напрежение чрез използването на принципите на взаимодействие на елементите на веригата на инвертора.

Мрежовото напрежение от 220 волта се подава през свързаните проводници към токоизправителя. Амплитудата му се изглажда от капацитивен филтър поради използването на кондензатори, издържащи пикове от порядъка на 300 волта, и се отделя от интерферентен филтър.

вход диоден мост поправя преминаващите през него синусоиди, които след това се превръщат от транзисторна верига в импулси с висока честота и правоъгълна форма с определен работен цикъл. Те могат да бъдат преобразувани:

1. с галванично отделяне на захранващата мрежа от изходните вериги;

2. без извършване на такъв разваляне.

Изолирано захранване на комутацията

В този случай високочестотните сигнали се изпращат към импулсен трансформатор, изпълнявайки галванична изолация на веригите. Поради повишената честота, ефективността на използване на трансформатор се увеличава, размерите на неговата магнитна верига и теглото се намаляват. Най-често феромагнетиците се използват за материал от такава сърцевина, а електрическата стомана практически не се използва в тези устройства. Освен това спомага за минимизиране на цялостния дизайн.

Една от версиите на комутационната верига на захранване с трансформаторно изолиране на веригите е показана на снимката.

В такива устройства има три взаимосвързани вериги:

1. PWM контролер;

2. каскада от клавиши за захранване;

3. импулсен трансформатор.

Как работи PWM контролер?

Контролерът е устройство, което контролира процес. В разглеждания блок за захранване е процес на преобразуване на импулсно-ширинна модулация. Той се основава на принципа на генериране на импулси с една и съща честота, но с различно време за превключване.

Подаването на импулс съответства на обозначението на логическа единица, а отсъствието съответства на нула. Освен това всички те са равни по величина и честота (имат еднакъв период на трептене T). Продължителността на включеното състояние на устройството и връзката му с промените в периода и ви позволяват да контролирате работата на електронните схеми.

Типичните промени в SHIP последователностите са показани на графиката.

Обикновено контролерите създават такива импулси с честота 30 ÷ 60 kHz.

Пример е контролер, направен на чип TL494. За регулиране на честотата на генериране на нейните импулси се използва схема, състояща се от резистори с кондензатори.

Работете каскада от клавиши за захранване

Състои се от мощни транзистори, които са избрани от биполярни, полеви или IGBT модели. За тях може да се създаде индивидуална система за управление на други транзистори с малка мощност или интегрирани драйвери.

Клавишите за захранване могат да бъдат включени по различни начини:

• мост;

• половин мост;

• със средна точка.

Импулсен трансформатор

Първичните и вторичните намотки, монтирани около магнитно ядро, изработени от ферит или алсифер, могат надеждно да предават високочестотни импулси с честоти до 100 kHz.

Работата им се допълва от вериги от филтри, стабилизатори, диоди и други компоненти.

Превключване на захранвания без галванична изолация

При превключване на захранващи устройства, проектирани съгласно алгоритми, които изключват галванична изолация, не се използва високочестотен изолационен трансформатор и сигналът отива директно към нискочестотния филтър. Подобен принцип на работа на веригата е показан по-долу.

Характеристики на стабилизацията на изходното напрежение

Всички комутационни захранващи устройства включват елементи, които осигуряват отрицателна обратна връзка с изходните параметри. Поради това те имат добра стабилизация на изходното напрежение при променящи се товари и колебания в захранващата мрежа.

Методите за осъществяване на обратна връзка зависят от схемата, използвана за работа на електрозахранването. Може да се извърши в агрегати, работещи с галванична изолация поради:

1. междинен ефект на изходното напрежение върху една от намотките на високочестотен импулсен трансформатор;

2. Използването на оптрон.

И в двата случая тези сигнали контролират работния цикъл на импулсите, подадени към изхода на PWM контролера.

Когато използвате схема без галванична изолация, обикновено се създава обратна връзка чрез свързване на резистивен разделител на напрежението.

Предимства на превключването на захранващи блокове пред конвенционалните аналогови

Когато сравнявате конструкциите на блокове с еднакви показатели за ефективност, комутационните захранващи устройства имат следните предимства:

1. намалено тегло;

2. повишена ефективност;

3. по-ниска цена;

4. разширен обхват на захранващите напрежения;

5. наличието на вградени защити.

1. Намаленото тегло и размери на комутационните захранващи блокове се обясняват с прехода от нискочестотни преобразувания на енергия от мощни и тежки силови трансформатори с управляващи системи, разположени на големи охлаждащи радиатори и работещи в постоянен линеен режим към технологиите за преобразуване и регулиране на импулси.

С увеличаване на честотата на обработвания сигнал капацитетът на филтрите за напрежение и съответно техните размери се намаляват. Схемата им за изправяне също е опростена до прехода към най-простата половин вълна.

2. За нискочестотните трансформатори се създава значителна част от загубата на енергия поради отделянето и разсейването на топлината при извършване на електромагнитни трансформации.

В импулсните блокове най-големите загуби на енергия се създават по време на появата на преходни процеси по време на превключване на каскади на клавишите за захранване. А през останалото време транзисторите са в стабилно положение: отворени или затворени. При това условие се създават всички условия за минимална загуба на електроенергия, когато ефективността може да бъде 90 ÷ 98%.

3. Цената на превключващите захранвания постепенно намалява поради непрекъснатото унифициране на елементната база, което се прави от широк спектър от напълно механизирани предприятия с роботи машини. Освен това режимът на работа на силовите елементи, базиран на контролирани клавиши, позволява използването на по-малко мощни полупроводникови компоненти.

4. Импулсната технология ви позволява да захранвате блокове от източници на напрежение с различни честоти и амплитуди. Това разширява обхвата на тяхното приложение в експлоатационни условия с различни стандарти за електрическа енергия.

5. Благодарение на използването на малки по размер полупроводникови модули с цифрова технология е възможно надеждно да се интегрират защитите в конструкцията на импулсни блокове, които контролират появата на токове на късо съединение, изключват натоварванията на изхода на устройството и други аварийни режими.

За конвенционалните трансформаторни захранвания такива защити са създадени на старата електромеханична, релейна, полупроводникова основа. Прилагането на цифрови технологии към тях в повечето схеми сега няма смисъл. Изключение правят хранителните случаи:

• вериги за управление на ниска мощност на сложни домакински уреди;

• устройства за управление с ниска точност с висока точност, например, използвани в измервателна апаратура или метрологични цели (цифрови електромери, волтметри).

Недостатъци при превключване на захранващи устройства

V / h смущения

Тъй като комутационните захранващи устройства работят на принципа на преобразуване на високочестотни импулси, те във всеки дизайн произвеждат смущения, предавани в околната среда. Това създава необходимостта от потискането им по различни начини.

В някои случаи отмяната на шума може да бъде неефективна, което елиминира използването на комутационни захранващи устройства за определени видове прецизно цифрово оборудване.

Ограничения на мощността

Превключването на захранващите устройства има противопоказание за работа не само при високи, но и ниски натоварвания. Ако в изходната верига настъпи рязко намаляване на тока извън минималната критична стойност, пусковата верига може да се провали или уредът ще изведе напрежение с изкривени технически характеристики, които не се вписват в работния диапазон.

И в тази статия, прочетете за ремонт на комутационни захранващи устройства.