Ce este o sursă de comutare și cum diferă de un analog convențional

În multe aparate electrice, principiul punerii în aplicare a puterii secundare a fost aplicat de mult timp prin utilizarea dispozitivelor suplimentare, cărora li se încredințează funcția de a furniza electricitate circuitelor care au nevoie de alimentare de la anumite tipuri de tensiune, frecvență, curent ...

Pentru aceasta, sunt create elemente suplimentare: surse de alimentaretransformând tensiunea unui tip în altul. Ele pot fi:

• încorporat în cazul consumatorului, ca pe multe dispozitive cu microprocesor;

• sau realizate prin module separate cu fire de conectare, similare unui încărcător convențional de pe un telefon mobil.

În inginerie electrică modernă, două principii de conversie a energiei pentru consumatorii de energie electrică se bazează pe:

1. utilizarea dispozitivelor transformatoare analogice pentru transmiterea puterii în circuitul secundar;

2. alimentarea cu comutare.

Au diferențe fundamentale în designul lor, lucrează la diferite tehnologii.

Surse de alimentare pentru transformator

Inițial, au fost create doar astfel de modele. Acestea schimbă structura de tensiune datorită funcționării unui transformator de putere alimentat de o rețea de gospodărie de 220 de volți, în care amplitudinea armonică sinusoidală scade, apoi este trimisă la un dispozitiv redresor format din diode de putere, care sunt de obicei conectate în funcție de circuitul podului.

După aceea, tensiunea de ondulare este netezită în paralel de o capacitate selectată în funcție de valoarea puterii admise și stabilizată de un circuit semiconductor cu tranzistoare de putere.

Prin schimbarea poziției rezistențelor de reglare în circuitul de stabilizare, este posibilă reglarea tensiunii la bornele de ieșire.

Surse de alimentare comutatoare (UPS)

Astfel de dezvoltări de design au apărut în număr mare în urmă cu câteva decenii și au început să se bucure de o popularitate tot mai mare în dispozitivele electrice datorită:

• disponibilitatea completării unei baze elementare comune;

• fiabilitate în execuție;

• posibilitățile de extindere a gamei de tensiune de ieșire.

Aproape toate sursele de alimentare cu comutare diferă ușor din punct de vedere al proiectării și funcționează conform unei scheme tipice altor dispozitive.

Principalele părți ale surselor de alimentare includ:

• un redresor de rețea asamblat din: chokes de intrare, un filtru electromecanic care asigură detonarea de la interferențe și izolarea staticii cu condensatoare, o siguranță de rețea și o punte de diodă;

• capacitatea acumulată de filtrare;

• tranzistor de alimentare cu cheie;

• oscilator principal;

• circuit de feedback realizat pe tranzistoare;

• optocuplor;

• alimentarea cu comutare, de la înfășurarea secundară a cărei tensiune este emisă pentru conversie într-un circuit de alimentare;

• diode redresoare ale circuitului de ieșire;

• tensiunea de ieșire a circuitului de control, de exemplu, 12 volți cu reglajul efectuat pe un optocuplaș și tranzistoare;

• condensatoare de filtru;

• apăsări de putere, care îndeplinesc rolul de corecție a tensiunii și diagnosticul acesteia în rețea;

• conectori de ieșire.

Un exemplu de placă electronică a unei surse de comutare similare cu o scurtă denumire a bazei elementului este prezentat în imagine.

Cum se alimentează o sursă de comutare

Alimentarea cu comutare produce o tensiune de alimentare stabilizată prin utilizarea principiilor de interacțiune a elementelor circuitului invertor.

Tensiunea de rețea de 220 de volți este furnizată prin firele conectate la redresor. Amplitudinea sa este netezită de un filtru capacitiv datorită utilizării condensatoarelor care rezistă la vârfuri de ordinul a 300 de volți și este separată de un filtru de interferență.

intrare pod de diodă rectifică sinusoidele care trec prin el, care sunt apoi transformate de un circuit tranzistor în impulsuri de înaltă frecvență și dreptunghiulare cu un anumit ciclu de serviciu. Pot fi convertite:

1. cu separare galvanică a rețelei de alimentare cu circuitele de ieșire;

2. fără a efectua o astfel de deznodământ.

Sursă de comutare izolată

În acest caz, semnalele de înaltă frecvență sunt trimise către un transformator de impulsuri, realizând izolarea galvanică a circuitelor. Datorită frecvenței crescute, eficiența utilizării unui transformator crește, dimensiunile circuitului său magnetic și greutatea sunt reduse. Cel mai adesea, ferromagnetii sunt folosiți pentru un material cu un astfel de miez, iar oțelul electric nu este practic utilizat în aceste dispozitive. De asemenea, ajută la minimizarea designului general.

Una dintre versiunile circuitului de alimentare cu comutare cu izolarea transformatorului circuitelor este prezentată în imagine.

În astfel de dispozitive, există trei lanțuri interconectate:

1. Controler PWM;

2. o cascadă de taste de alimentare;

3. transformator de impuls.

Cum funcționează un controler PWM?

Un controler este un dispozitiv care controlează un proces. În unitatea de alimentare analizată, este procesul de conversie a modulării lățimii pulsului. Se bazează pe principiul generarii impulsurilor cu aceeași frecvență, dar cu timpi de comutare diferiți.

Furnizarea de moment corespunde desemnării unei unități logice, iar absența corespunde zero. Mai mult, toate sunt egale ca mărime și frecvență (au aceeași perioadă de oscilație T). Durata stării de pornire a unității și relația acesteia cu schimbarea perioadei și vă permit să controlați funcționarea circuitelor electronice.

Modificările tipice în secvențele SHIP sunt prezentate în grafic.

Controlerele creează de obicei astfel de impulsuri cu o frecvență de 30 ÷ 60 kHz.

Un exemplu este un controler realizat pe un cip TL494. Pentru a regla frecvența de generare a impulsurilor sale, este utilizat un circuit format din rezistențe cu condensatoare.

Cascada de lucru a tastelor de alimentare

Este format din tranzistoare puternice, care sunt selectate dintre modele bipolare, câmp sau IGBT. Un sistem de control individual poate fi creat pentru ei pe alte tranzistoare de putere mică sau drivere integrate.

Tastele de alimentare pot fi activate în mai multe moduri:

• pod;

• jumătate pod;

• cu un punct de mijloc.

Transformator de impulsuri

Înfășurările primare și secundare montate în jurul unui miez magnetic de ferită sau aliferă pot transmite în mod fiabil impulsuri de înaltă frecvență cu o frecvență de până la 100 kHz.

Munca lor este completată de lanțuri de filtre, stabilizatori, diode și alte componente.

Comutarea surselor de alimentare fără izolare galvanică

La sursele de alimentare cu comutare proiectate în conformitate cu algoritmi care exclud izolarea galvanică, nu se folosește un transformator de izolare de înaltă frecvență, iar semnalul se duce direct la filtrul de trecere joasă. Un principiu similar de funcționare a circuitului este prezentat mai jos.

Caracteristici de stabilizare a tensiunii de ieșire

Toate sursele de alimentare cu comutare includ elemente care furnizează feedback negativ cu parametrii de ieșire. Datorită acestui fapt, acestea au o bună stabilizare a tensiunii de ieșire în condiții de schimbare a încărcărilor și a fluctuațiilor din rețeaua de alimentare.

Metodele de implementare a feedback-ului depind de schema folosită pentru funcționarea sursei de alimentare. Poate fi efectuat în unități care operează cu izolare galvanică datorită:

1. efect intermediar al tensiunii de ieșire pe una dintre înfășurările unui transformator de impulsuri de înaltă frecvență;

2. Utilizarea unui optocuplaș.

În ambele cazuri, aceste semnale controlează ciclul de serviciu al impulsurilor furnizate la ieșirea controlerului PWM.

Când utilizați un circuit fără izolare galvanică, feedback-ul este de obicei creat prin conectarea unui divizor de tensiune rezistiv.

Avantajele surselor de comutare peste analogic convențional

Atunci când compari proiectele blocurilor cu indicatori de performanță egali, sursele de comutare au următoarele avantaje:

1. greutate redusă;

2. eficiență crescută;

3. costuri mai mici;

4. gama extinsă de tensiuni de alimentare;

5. prezența protecțiilor încorporate.

1. Greutatea și dimensiunile reduse ale surselor de alimentare cu comutare sunt explicate prin trecerea de la conversii de energie cu frecvență scăzută de transformatoarele de putere puternice și grele, cu sisteme de control amplasate pe calorifere mari de răcire și care funcționează într-un mod liniar constant la conversia pulsului și tehnologiile de reglare.

Prin creșterea frecvenței semnalului procesat, capacitatea filtrelor de tensiune și, în consecință, dimensiunile acestora sunt reduse. Schema de îndreptare a acestora este, de asemenea, simplificată până la trecerea la cea mai simplă jumătate de undă.

2. Pentru transformatoarele cu frecvență joasă, o proporție semnificativă din pierderea de energie este creată datorită eliberării și disipației de căldură în timpul transformărilor electromagnetice.

În blocurile de impulsuri, cele mai mari pierderi de energie sunt create în timpul tranzitorilor în timpul comutării cascadelor întrerupătorului de putere. Și în restul timpului, tranzistoarele sunt într-o poziție stabilă: deschise sau închise. Cu această condiție, toate condițiile sunt create pentru pierderea minimă de energie electrică, când eficiența poate fi de 90 ÷ 98%.

3. Prețul surselor de alimentare cu comutare este în scădere treptată, datorită unificării continue a bazei elementelor, care este făcută de o gamă largă de întreprinderi mecanizate complet cu mașini robot. În plus, modul de funcționare a elementelor de putere bazate pe tastele controlate permite utilizarea unor componente semiconductoare mai puțin puternice.

4. Tehnologia Puls vă permite să alimentați unități de la surse de tensiune cu frecvențe și amplitudini diferite. Aceasta extinde domeniul de aplicare al acestora în condiții de funcționare, cu diverse standarde de energie electrică.

5. Datorită utilizării modulelor semiconductoare de tehnologie digitală de dimensiuni mici, este posibilă integrarea în mod fiabil a protecțiilor în proiectarea blocurilor de impulsuri, care controlează apariția curenților de scurtcircuit, deconectează încărcările la ieșirea dispozitivului și alte moduri de urgență.

Pentru alimentarea convențională a transformatorului, astfel de protecții au fost create pe vechea bază electromecanică, releu, semiconductor. Aplicarea tehnologiei digitale la ele în majoritatea schemelor acum nu are sens. Excepție fac cazurile alimentare:

• circuite de control cu ​​putere redusă a aparatelor electrocasnice complexe;

• Dispozitive de control de precizie redusă de înaltă precizie, de exemplu, utilizate în echipamente de măsurare sau în scopuri metrologice (contoare digitale de electricitate, voltmetre).

Dezavantaje ale alimentării cu comutare

Interferență V / h

Deoarece sursele de comutare funcționează pe principiul convertirii impulsurilor de înaltă frecvență, ele produc, în orice proiect, interferențe transmise mediului. Acest lucru creează nevoia de a le suprima în diferite moduri.

În unele cazuri, anularea zgomotului poate fi ineficientă, ceea ce elimină utilizarea surselor de alimentare comutatoare pentru anumite tipuri de echipamente digitale de precizie.

Limitele puterii

Sursele de alimentare cu comutare au o contraindicație pentru a funcționa nu numai la sarcini mari, dar și la sarcini reduse. Dacă apare o scădere accentuată a curentului în afara valorii critice minime în circuitul de ieșire, circuitul de pornire poate eșua sau unitatea va emite o tensiune cu caracteristici tehnice distorsionate care nu se încadrează în domeniul de operare.

Și în acest articol, citiți despre repararea surselor de alimentare comutatoare.