Was ist ein Schaltnetzteil und wie unterscheidet es sich von einem herkömmlichen Analog?

In vielen Elektrogeräten wird das Prinzip der Implementierung von Sekundärstrom seit langem durch die Verwendung zusätzlicher Geräte angewendet, die mit der Funktion betraut sind, Stromkreise mit Strom zu versorgen, die Strom aus bestimmten Arten von Spannung, Frequenz, Strom ...

Hierzu werden zusätzliche Elemente erstellt: NetzteileUmwandlung der Spannung eines Typs in einen anderen. Sie können sein:

• wie bei vielen Mikroprozessorgeräten in das Gehäuse des Verbrauchers eingebaut;

• oder durch separate Module mit Verbindungskabeln hergestellt, ähnlich einem herkömmlichen Ladegerät eines Mobiltelefons.

In der modernen Elektrotechnik basieren zwei Prinzipien der Energieumwandlung für Stromverbraucher auf:

1. die Verwendung von analogen Transformatorvorrichtungen zur Übertragung von Energie an den Sekundärkreis;

2. Schaltnetzteile.

Sie haben grundlegende Unterschiede in ihrem Design und arbeiten an verschiedenen Technologien.

Transformator-Netzteile

Anfangs wurden nur solche Entwürfe erstellt. Sie ändern die Spannungsstruktur aufgrund des Betriebs eines Leistungstransformators, der von einem 220-Volt-Haushaltsnetzwerk gespeist wird, in dem die Amplitude der sinusförmigen Harmonischen abnimmt, und werden dann an eine Gleichrichtervorrichtung gesendet, die aus Leistungsdioden besteht, die normalerweise gemäß der Brückenschaltung angeschlossen sind.

Danach wird die Welligkeitsspannung parallel durch eine Kapazität geglättet, die gemäß dem Wert der zulässigen Leistung ausgewählt wird, und durch eine Halbleiterschaltung mit Leistungstransistoren stabilisiert.

Durch Ändern der Position der Abstimmwiderstände im Stabilisierungskreis ist es möglich, die Spannung an den Ausgangsklemmen einzustellen.

Schaltnetzteile (USV)

Solche Designentwicklungen traten vor einigen Jahrzehnten in großer Zahl auf und erfreuten sich bei elektrischen Geräten zunehmender Beliebtheit aufgrund von:

• die Verfügbarkeit der Vervollständigung einer gemeinsamen Elementbasis;

• Zuverlässigkeit bei der Ausführung;

• die Möglichkeiten zur Erweiterung des Arbeitsbereichs der Ausgangsspannungen.

Fast alle Quellen der Schaltstromversorgung unterscheiden sich geringfügig im Design und arbeiten nach einem für andere Geräte typischen Schema.

Die Hauptteile von Netzteilen umfassen:

• einen Netzwerkgleichrichter, der zusammengesetzt ist aus: Eingangsdrosseln, einem elektromechanischen Filter, das eine Verstimmung gegen Interferenz und Isolation der Statik mit Kondensatoren, einer Netzsicherung und einer Diodenbrücke ermöglicht;

• kumulative Filterkapazität;

• Schlüsselleistungstransistor;

• Master-Oszillator;

• Rückkopplungsschaltung an Transistoren;

• Optokoppler;

• Schaltnetzteil, von dessen Sekundärwicklung eine Spannung zur Umwandlung in einen Stromkreis abgegeben wird;

• Gleichrichterdioden der Ausgangsschaltung;

• Ausgangsspannung der Steuerschaltung, zum Beispiel 12 Volt mit Abstimmung an einem Optokoppler und Transistoren;

• Filterkondensatoren;

• Leistungsdrosseln, die die Rolle der Spannungskorrektur und ihrer Diagnose im Netzwerk übernehmen;

• Ausgangsanschlüsse.

Ein Beispiel einer elektronischen Platine eines ähnlichen Schaltnetzteils mit einer kurzen Bezeichnung der Elementbasis ist in der Abbildung dargestellt.

Wie funktioniert ein Schaltnetzteil?

Das Schaltnetzteil erzeugt unter Verwendung der Wechselwirkungsprinzipien der Elemente der Wechselrichterschaltung eine stabilisierte Versorgungsspannung.

Die Netzspannung von 220 Volt wird über die angeschlossenen Drähte an den Gleichrichter geliefert. Seine Amplitude wird durch ein kapazitives Filter aufgrund der Verwendung von Kondensatoren geglättet, die Spitzen in der Größenordnung von 300 Volt aushalten, und durch ein Interferenzfilter getrennt.

Eingabe Diodenbrücke korrigiert die durch sie hindurchtretenden Sinuskurven, die dann von einer Transistorschaltung in hochfrequente und rechteckige Impulse mit einem bestimmten Tastverhältnis umgewandelt werden. Sie können konvertiert werden:

1. mit galvanischer Trennung des Stromversorgungsnetzes von den Ausgangskreisen;

2. ohne eine solche Auflösung durchzuführen.

Isoliertes Schaltnetzteil

In diesem Fall werden Hochfrequenzsignale an einen Impulstransformator gesendet, wodurch eine galvanische Trennung der Schaltkreise durchgeführt wird. Aufgrund der erhöhten Frequenz steigt der Wirkungsgrad eines Transformators, die Abmessungen seines Magnetkreises und sein Gewicht werden verringert. Am häufigsten werden Ferromagnete für ein Material eines solchen Kerns verwendet, und Elektrostahl wird in diesen Vorrichtungen praktisch nicht verwendet. Es hilft auch, das Gesamtdesign zu minimieren.

In der Abbildung ist eine der Versionen des Schaltnetzteils mit Transformatorisolation der Schaltkreise dargestellt.

In solchen Geräten gibt es drei miteinander verbundene Ketten:

1. PWM-Controller;

2. eine Kaskade von Einschalttasten;

3. Impulstransformator.

Wie funktioniert ein PWM-Controller?

Ein Controller ist ein Gerät, das einen Prozess steuert. Bei dem betrachteten Netzteil handelt es sich um den Prozess der Umwandlung der Pulsweitenmodulation. Es basiert auf dem Prinzip, Impulse gleicher Frequenz mit unterschiedlichen Schaltzeiten zu erzeugen.

Die Impulsversorgung entspricht der Bezeichnung einer logischen Einheit und die Abwesenheit entspricht Null. Darüber hinaus sind sie alle in Größe und Frequenz gleich (haben die gleiche Schwingungsperiode T). Die Dauer des Einschaltzustands des Geräts und seine Beziehung zur Periode ändern sich und ermöglichen es Ihnen, den Betrieb elektronischer Schaltungen zu steuern.

Typische Änderungen in den SHIP-Sequenzen sind in der Grafik dargestellt.

Steuerungen erzeugen solche Impulse normalerweise mit einer Frequenz von 30 bis 60 kHz.

Ein Beispiel ist ein Controller, der auf einem TL494-Chip hergestellt wurde. Um die Frequenz der Erzeugung seiner Impulse einzustellen, wird eine Schaltung verwendet, die aus Widerständen mit Kondensatoren besteht.

Arbeitskaskade von Ein- / Aus-Schlüsseln

Es besteht aus leistungsstarken Transistoren, die aus Bipolar-, Feld- oder IGBT-Modellen ausgewählt werden. Für sie kann ein individuelles Steuersystem für andere Transistoren mit geringer Leistung oder integrierte Treiber erstellt werden.

Ein- / Ausschalter können auf verschiedene Arten eingeschaltet werden:

• Pflaster;

• Halbbrücke;

• mit einem Mittelpunkt.

Impulstransformator

Die um einen Magnetkern aus Ferrit oder Alsifer montierten Primär- und Sekundärwicklungen können Hochfrequenzimpulse mit Frequenzen bis 100 kHz zuverlässig übertragen.

Ihre Arbeit wird durch Ketten von Filtern, Stabilisatoren, Dioden und anderen Komponenten ergänzt.

Schaltnetzteile ohne galvanische Trennung

Bei Schaltnetzteilen, die nach Algorithmen entwickelt wurden, die eine galvanische Trennung ausschließen, wird kein Hochfrequenz-Trenntransformator verwendet, und das Signal geht direkt zum Tiefpassfilter. Ein ähnliches Funktionsprinzip der Schaltung ist unten gezeigt.

Merkmale der Ausgangsspannungsstabilisierung

Alle Schaltnetzteile enthalten Elemente, die eine negative Rückkopplung der Ausgangsparameter liefern. Aufgrund dessen haben sie eine gute Stabilisierung der Ausgangsspannung bei wechselnden Lasten und Schwankungen im Versorgungsnetz.

Die Methoden zum Implementieren von Rückkopplungen hängen von dem Schema ab, das zum Betreiben der Stromversorgung verwendet wird. Es kann in Geräten mit galvanischer Trennung durchgeführt werden, weil:

1. Zwischenwirkung der Ausgangsspannung auf eine der Wicklungen eines Hochfrequenz-Impulstransformators;

2. Die Verwendung eines Optokopplers.

In beiden Fällen steuern diese Signale das Tastverhältnis der Impulse, die dem Ausgang des PWM-Controllers zugeführt werden.

Bei Verwendung eines Stromkreises ohne galvanische Trennung wird die Rückkopplung normalerweise durch Anschließen eines Widerstandsspannungsteilers erzeugt.

Vorteile des Schaltens von Netzteilen gegenüber herkömmlichen analogen

Beim Vergleich der Blockkonstruktionen mit Indikatoren für gleiche Leistung haben Schaltnetzteile die folgenden Vorteile:

1. reduziertes Gewicht;

2. erhöhte Effizienz;

3. niedrigere Kosten;

4. erweiterter Bereich von Versorgungsspannungen;

5. das Vorhandensein von eingebauten Schutzmaßnahmen.

1. Das verringerte Gewicht und die reduzierten Abmessungen von Schaltnetzteilen werden durch den Übergang von niederfrequenten Energieumwandlungen durch leistungsstarke und schwere Leistungstransformatoren mit Steuersystemen, die sich auf großen Kühlkörpern befinden und in einem konstanten linearen Modus arbeiten, zu Impulsumwandlungs- und Regelungstechnologien erklärt.

Durch Erhöhen der Frequenz des verarbeiteten Signals wird die Kapazität der Spannungsfilter und entsprechend deren Abmessungen verringert. Ihr Richtungsschema wird auch bis zum Übergang zur einfachsten Halbwelle vereinfacht.

2. Bei Niederfrequenztransformatoren entsteht ein erheblicher Anteil des Energieverlusts aufgrund der Freisetzung und Ableitung von Wärme bei elektromagnetischen Transformationen.

In Impulsblöcken entstehen die größten Energieverluste beim Auftreten von Transienten beim Schalten von Power-Key-Kaskaden. Und für den Rest der Zeit befinden sich die Transistoren in einer stabilen Position: offen oder geschlossen. Mit dieser Bedingung werden alle Bedingungen für den minimalen Stromverlust geschaffen, wenn der Wirkungsgrad 90 bis 98% betragen kann.

3. Der Preis für Schaltnetzteile sinkt allmählich aufgrund der fortschreitenden Vereinheitlichung der Elementbasis, die von einer Vielzahl vollmechanisierter Unternehmen mit Robotermaschinen hergestellt wird. Darüber hinaus ermöglicht der Betriebsmodus von Leistungselementen, die auf gesteuerten Schlüsseln basieren, die Verwendung weniger leistungsfähiger Halbleiterkomponenten.

4. Mit der Impulstechnologie können Netzteile von Spannungsquellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden gespeist werden. Dies erweitert den Anwendungsbereich unter Betriebsbedingungen mit verschiedenen Standards für elektrische Energie.

5. Dank der Verwendung kleiner digitaler Halbleitermodule ist es möglich, Schutzfunktionen zuverlässig in das Design von Impulsblöcken zu integrieren, die das Auftreten von Kurzschlussströmen steuern, Lasten am Ausgang des Geräts trennen und andere Notfallmodi.

Für herkömmliche Transformatorstromversorgungen wurden solche Schutzvorrichtungen auf der alten elektromechanischen Halbleiterbasis mit Relais geschaffen. Die Anwendung digitaler Technologie in den meisten Systemen ist derzeit nicht sinnvoll. Die Ausnahme bilden Lebensmittelfälle:

• Stromkreise mit geringem Stromverbrauch komplexer Haushaltsgeräte;

• Steuergeräte mit geringer Genauigkeit und hoher Genauigkeit, beispielsweise für Messgeräte oder messtechnische Zwecke (digitale Stromzähler, Voltmeter).

Nachteile des Schaltens von Netzteilen

V / h-Störung

Da Schaltnetzteile nach dem Prinzip der Umwandlung von Hochfrequenzimpulsen arbeiten, erzeugen sie in jeder Ausführung Störungen, die an die Umgebung übertragen werden. Dies schafft die Notwendigkeit, sie auf verschiedene Weise zu unterdrücken.

In einigen Fällen kann die Rauschunterdrückung ineffizient sein, wodurch die Verwendung von Schaltnetzteilen für bestimmte Arten von digitalen Präzisionsgeräten entfällt.

Leistungsgrenzen

Schaltnetzteile haben eine Kontraindikation, um nicht nur bei hohen, sondern auch bei niedrigen Lasten zu arbeiten. Wenn im Ausgangsstromkreis ein starker Abfall des Stroms außerhalb des minimalen kritischen Werts auftritt, kann der Anlaufkreis ausfallen oder das Gerät gibt eine Spannung mit verzerrten technischen Eigenschaften aus, die nicht in den Betriebsbereich passen.

Und in diesem Artikel lesen Sie über Reparatur von Schaltnetzteilen.