Čo je to spínaný zdroj napájania a ako sa líši od konvenčného analógu

V mnohých elektrických spotrebičoch sa zásada zavádzania sekundárnej energie už dlho používa prostredníctvom použitia ďalších zariadení, ktoré sú poverené funkciou poskytovania elektrickej energie do obvodov, ktoré potrebujú energiu z určitých druhov napätia, frekvencie, prúdu ...

Za týmto účelom sa vytvárajú ďalšie prvky: napájacie zdrojetransformácia napätia jedného typu na iný. Môžu to byť:

• zabudovaný do krytu spotrebiteľa, ako na mnohých mikroprocesorových zariadeniach;

• alebo vyrobené pomocou samostatných modulov so spojovacími vodičmi, ktoré sa podobajú konvenčnej nabíjačke na mobilnom telefóne.

V modernej elektrotechnike existujú dva princípy premeny energie pre elektrických spotrebiteľov založené na:

1. použitie analógových transformačných zariadení na prenos energie do sekundárneho obvodu;

2. spínané zdroje energie.

Majú zásadné rozdiely v dizajne, pracujú na rôznych technológiách.

Napájacie zdroje transformátorov

Spočiatku boli vytvorené iba také vzory. Menia štruktúru napätia v dôsledku činnosti výkonového transformátora napájaného z domácej siete 220 V, v ktorom sa amplitúda sínusovej harmonickej znižuje, potom sú odosielané do usmerňovacieho zariadenia pozostávajúceho z výkonových diód, ktoré sú obvykle pripojené podľa mostíkového obvodu.

Potom je zvlnené napätie paralelne vyhladené kapacitanciou vybranou podľa hodnoty povoleného výkonu a stabilizované polovodičovým obvodom s výkonovými tranzistormi.

Zmenou polohy ladiacich odporov v stabilizačnom obvode je možné upraviť napätie na výstupných svorkách.

Spínané napájacie zdroje (UPS)

Takýto vývoj dizajnu sa objavil pred niekoľkými desaťročiami vo veľkom počte a začal si užívať čoraz väčšiu popularitu v elektrických zariadeniach kvôli:

• dostupnosť dokončenia spoločnej základne prvkov;

• spoľahlivosť pri vykonávaní;

• možnosti rozšírenia pracovného rozsahu výstupných napätí.

Takmer všetky zdroje spínaného napájania sa líšia v dizajne a fungujú podľa jednej schémy typickej pre iné zariadenia.

Medzi hlavné časti napájacích zdrojov patria:

• sieťový usmerňovač zostavený z: vstupných tlmiviek, elektromechanického filtra, ktorý zaisťuje oddeľovanie od rušenia a izoláciu statiky kondenzátormi, sieťovou poistkou a diódovým mostíkom;

• kumulatívna filtračná kapacita;

• tranzistor s kľúčovým výkonom;

• hlavný oscilátor;

• obvod spätnej väzby vyrobený na tranzistoroch;

• Optocoupler;

• spínací zdroj energie, z ktorého sekundárneho vinutia je privádzané napätie na premenu na výkonový obvod;

• usmerňovacie diódy výstupného obvodu;

• výstupné napätie riadiaceho obvodu, napríklad 12 voltov s ladením na optočlenoch a tranzistoroch;

• filtračné kondenzátory;

• výkonové tlmivky, vykonávajúce úlohu korekcie napätia a jeho diagnostiku v sieti;

• výstupné konektory.

Príklad elektronickej dosky podobného spínaného zdroja energie so stručným označením základne prvkov je zobrazený na obrázku.

Ako funguje spínané napájanie

Spínaný napájací zdroj vytvára stabilizované napájacie napätie pomocou princípov interakcie prvkov invertorového obvodu.

Sieťové napätie 220 voltov sa dodáva cez pripojené vodiče do usmerňovača. Jeho amplitúda je vyhladená kapacitným filtrom vďaka použitiu kondenzátorov odolávajúcich vrcholom rádovo 300 voltov a je oddelená interferenčným filtrom.

vstup diódový most usmerňuje sínusoidy, ktoré ním prechádzajú, ktoré sa potom tranzistorovým obvodom transformujú na vysokofrekvenčné a pravouhlé impulzy s určitým pracovným cyklom. Môžu byť konvertované:

1. s galvanickým oddelením napájacej siete od výstupných obvodov;

2. bez vykonania takéhoto rozuzlenia.

Izolované spínané napájanie

V tomto prípade sa vysokofrekvenčné signály posielajú do pulzného transformátora, čím sa vykonáva galvanické oddelenie obvodov. V dôsledku zvýšenej frekvencie sa zvyšuje účinnosť transformátora, zmenšujú sa rozmery jeho magnetického obvodu a hmotnosť. Feromagnety sa najčastejšie používajú pre materiál takéhoto jadra a elektrická oceľ sa v týchto zariadeniach prakticky nepoužíva. Pomáha tiež minimalizovať celkový dizajn.

Jedna z verzií spínaného napájacieho obvodu s izoláciou obvodov transformátorom je zobrazená na obrázku.

V takýchto zariadeniach existujú tri vzájomne prepojené reťazce:

1. PWM ovládač;

2. kaskáda vypínačov;

3. pulzný transformátor.

Ako funguje ovládač PWM?

Ovládač je zariadenie, ktoré riadi proces. V uvažovanej napájacej jednotke je to proces konverzie modulácie šírka impulzu. Je založená na princípe generovania impulzov rovnakej frekvencie, ale s rôznymi spínacími časmi.

Moment hybnosti zodpovedá označeniu logickej jednotky a neprítomnosť zodpovedá nule. Navyše, všetky sú si rovné vo veľkosti a frekvencii (majú rovnakú periódu T kmitania). Trvanie zapnutého stavu jednotky a jej vzťah k perióde sa menia a umožňujú vám kontrolovať činnosť elektronických obvodov.

Typické zmeny v sekvenciách SHIP sú uvedené v grafe.

Regulátory obvykle vytvárajú takéto impulzy s frekvenciou 30 ÷ 60 kHz.

Príkladom je radič vyrobený na čipe TL494. Na nastavenie frekvencie generovania jeho impulzov sa používa obvod pozostávajúci z rezistorov s kondenzátormi.

Pracovná kaskáda vypínačov

Skladá sa z výkonných tranzistorov, ktoré sú vybrané z bipolárnych, poľných alebo IGBT modelov. Pre iné nízkoenergetické tranzistory alebo integrované ovládače je možné pre ne vytvoriť samostatný riadiaci systém.

Vypínače sa dajú zapnúť rôznymi spôsobmi:

• most;

• pol mosta;

• so stredom.

Pulzný transformátor

Primárne a sekundárne vinutia namontované okolo magnetického jadra vyrobeného z feritu alebo alsiferu môžu spoľahlivo prenášať vysokofrekvenčné impulzy s frekvenciami do 100 kHz.

Ich prácu dopĺňajú reťaze filtrov, stabilizátorov, diód a ďalších komponentov.

Spínané zdroje bez galvanickej izolácie

Pri spínaných zdrojoch energie navrhnutých podľa algoritmov, ktoré vylučujú galvanické oddelenie, sa vysokofrekvenčný oddeľovací transformátor nepoužíva a signál ide priamo do dolnopriepustného filtra. Podobný princíp činnosti obvodu je uvedený nižšie.

Vlastnosti stabilizácie výstupného napätia

Všetky spínacie zdroje energie obsahujú prvky, ktoré poskytujú negatívnu spätnú väzbu s výstupnými parametrami. Vďaka tomu majú dobrú stabilizáciu výstupného napätia pri meniacom sa zaťažení a kolísaní v napájacej sieti.

Metódy vykonávania spätnej väzby závisia od schémy použitej na prevádzku napájacieho zdroja. Môže sa vykonať v jednotkách pracujúcich s galvanickým oddelením kvôli:

1. stredný účinok výstupného napätia na jedno z vinutí vysokofrekvenčného impulzového transformátora;

2. Používanie optočlenu.

V obidvoch prípadoch tieto signály riadia pracovný cyklus impulzov privádzaných na výstup PWM regulátora.

Pri použití obvodu bez galvanickej izolácie sa spätná väzba zvyčajne vytvára pripojením odporového deliča napätia.

Výhody prepínania napájacích zdrojov oproti konvenčným analógom

Pri porovnaní návrhov blokov s indikátormi rovnakého výkonu majú spínané napájacie zdroje nasledujúce výhody:

1. znížená hmotnosť;

2. zvýšená účinnosť;

3. nižšie náklady;

4. rozšírený rozsah napájacieho napätia;

5. prítomnosť zabudovanej ochrany.

1. Znížená hmotnosť a rozmery spínaných zdrojov energie sa vysvetľujú prechodom z nízkofrekvenčných konverzií energie pomocou výkonných a ťažkých transformátorov energie s riadiacimi systémami umiestnenými na veľkých chladiacich radiátoroch, ktoré pracujú v konštantnom lineárnom režime na technológiu pulznej konverzie a regulácie.

Zvýšením frekvencie spracovaného signálu sa zníži kapacita napäťových filtrov a tým aj ich rozmery. Ich vyrovnávacia schéma je tiež zjednodušená až po prechod na najjednoduchšiu polovicu vlny.

2. Pri nízkofrekvenčných transformátoroch sa vytvára významná časť energetických strát v dôsledku uvoľňovania a rozptylu tepla pri vykonávaní elektromagnetických transformácií.

V impulzných blokoch sa najväčšie energetické straty vytvárajú pri prechodoch pri prepínaní kaskád výkonových spínačov. A zvyšok času sú tranzistory v stabilnej polohe: otvorené alebo zatvorené. S touto podmienkou sa vytvoria všetky podmienky pre minimálnu stratu elektriny, keď účinnosť môže byť 90 ÷ 98%.

3. Cena spínaných zdrojov energie sa postupne znižuje v dôsledku neustáleho zjednocovania základne prvkov, ktorú vytvára široká škála plne mechanizovaných podnikov s robotickými strojmi. Okrem toho prevádzkový režim výkonových prvkov založený na ovládaných kľúčoch umožňuje použitie menej výkonných polovodičových komponentov.

4. Pulzná technológia vám umožňuje napájať jednotky zo zdrojov napätia s rôznymi frekvenciami a amplitúdami. Tým sa rozširuje rozsah ich aplikácie v prevádzkových podmienkach s rôznymi normami elektrickej energie.

5. Vďaka použitiu malých polovodičových modulov digitálnej technológie je možné spoľahlivo integrovať ochrany do návrhu impulzných blokov, ktoré regulujú výskyt skratových prúdov, odpojujú záťaže na výstupe zariadenia a ďalšie núdzové režimy.

V prípade konvenčných napájacích zdrojov transformátorov sa takéto ochrany vytvorili na starej elektromechanickej reléovej polovodičovej základni. Aplikácia digitálnej technológie na ne vo väčšine systémov nemá teraz zmysel. Výnimkou sú prípady potravín:

• riadiace obvody s nízkym príkonom zložitých domácich spotrebičov;

• nízkopresné ovládacie zariadenia s vysokou presnosťou, napríklad používané na meracie zariadenia alebo metrologické účely (digitálne elektromery, voltmetre).

Nevýhody spínaného zdroja energie

Interferencia V / h

Pretože spínané napájacie zdroje pracujú na princípe konverzie vysokofrekvenčných impulzov, vytvárajú v akejkoľvek konštrukcii interferencie prenášané do okolia. To vytvára potrebu ich potlačenia rôznymi spôsobmi.

V niektorých prípadoch môže byť potlačenie šumu neefektívne, čo vylučuje použitie spínaných zdrojov energie pre určité typy presných digitálnych zariadení.

Výkonové limity

Spínané napájacie zdroje majú kontraindikáciu pre prácu nielen pri vysokých, ale aj pri nízkych zaťaženiach. Ak vo výstupnom obvode dôjde k prudkému poklesu prúdu mimo minimálnej kritickej hodnoty, spúšťací obvod môže zlyhať alebo jednotka vydá napätie so skreslenými technickými charakteristikami, ktoré sa nehodia do prevádzkového rozsahu.

A v tomto článku si prečítajte o oprava spínacích zdrojov.