Mi az a kapcsoló tápegység és hogyan különbözik a hagyományos analógtól?

Sok elektromos berendezésben a másodlagos energiaellátás elvét régóta alkalmazzák olyan kiegészítő eszközök használatával, amelyek feladata az, hogy áramot biztosítsanak az olyan áramkörökhöz, amelyeknek bizonyos típusú feszültség, frekvencia, áram ...

Ehhez további elemeket hoznak létre: tápegységekaz egyik típusú feszültség átalakítása másikra. Ezek lehetnek:

• beépítve a fogyasztó esetébe, mint sok mikroprocesszoros eszköznél;

• vagy külön modulokból áll, összekötő vezetékekkel, hasonlóan a mobiltelefon hagyományos töltőjéhez.

A modern villamosmérnöki rendszerekben az energiaátalakítás két alapelve az elektromos fogyasztók számára, amelyek a következőkön alapulnak:

1. analóg transzformátor eszközök használata az energia továbbítására a másodlagos áramkörbe;

2. kapcsoló tápegységek.

Alapvető különbségek vannak kialakításukban, különböző technológiákon dolgoznak.

Transzformátor tápegységei

Kezdetben csak ilyen mintákat készítettek. Megváltoztatják a feszültség szerkezetét egy 220 V-os háztartási hálózatról táplált tápfeszültség-transzformátor működése miatt, amelyben a szinuszos harmonikus amplitúdója csökken, majd eljuttatják egy egyenirányító eszközbe, amely erődiodiumokból áll, amelyeket általában a hídáramkör szerint csatlakoztatnak.

Ezt követően a hullámosodási feszültséget párhuzamosan simítjuk egy kapacitással, amelyet a megengedett teljesítmény értéke alapján választunk ki, és egy félvezető áramkörrel stabilizálunk, amely teljesítménytranzisztorokkal rendelkezik.

A hangoló ellenállások helyzetének megváltoztatásával a stabilizáló áramkörben beállítható a feszültség a kimeneti kapcsokon.

Kapcsoló tápegységek (UPS)

Az ilyen tervezési fejlesztések számos évtizeddel ezelőtt jelentkeztek, és egyre népszerűbbek lettek az elektromos készülékekben az alábbiak miatt:

• a közös elemi bázis kitöltésének lehetősége;

• megbízhatóság a végrehajtásban;

• a kimeneti feszültség munkatartományának kibővítésének lehetőségei.

A kapcsoló tápegység szinte minden forrása kismértékben különbözik egymástól és a többi eszközre jellemző séma szerint működik.

A tápegységek fő részei a következők:

• a következőkből összeállított hálózati egyenirányítót: bemeneti fojtók, elektromechanikus szűrő, amely megakadályozza az interferenciát és a statika izolálását kondenzátorokkal, hálózati biztosítékkal és diódahíddal;

• kumulatív szűrési kapacitás;

• kulcsteljesítményű tranzisztor;

• fő oszcillátor;

• tranzisztorokon készített visszacsatoló áramkör;

• optocsatoló;

• kapcsoló tápegység, amelynek szekunder tekercséből tápfeszültséget szolgáltatnak az áramkörré történő átalakításhoz;

• a kimeneti áramkör egyenirányító diódái;

• a vezérlőáramkör kimeneti feszültsége, például 12 volt, hangolással egy optocsatolón és tranzisztorokon;

• szűrőkondenzátorok;

• hálózati fojtók, ellátva a feszültség korrekcióját és annak diagnosztikáját;

• kimeneti csatlakozók.

A képen egy hasonló kapcsoló tápegység elektronikus táblájának példája látható, az elem alapjának rövid megjelölésével.

Hogyan működik a kapcsoló tápegység?

A kapcsoló tápegység stabilizált tápfeszültséget hoz létre az inverter áramkörének kölcsönhatása elveinek felhasználásával.

A 220 voltos hálózati feszültséget a csatlakoztatott vezetékeken keresztül táplálják az egyenirányítóhoz. Az amplitúdóját kapacitív szűrő simítja, a kondenzátorok használata miatt 300 V-os csúcsok ellenállnak, és egy interferenciaszűrő választja el egymástól.

bemenet dióda híd kijavítja a rajta áthaladó szinuszokat, amelyeket egy tranzisztor áramkör nagy frekvenciájú és téglalap alakú impulzusokká alakít át egy bizonyos működési ciklus mellett. Átalakíthatók:

1. az energiaellátó hálózat galvanikus leválasztásával a kimeneti áramköröktől;

2. anélkül, hogy ilyen lefutást végezne.

Elszigetelt kapcsoló tápegység

Ebben az esetben a magas frekvenciájú jeleket egy impulzus transzformátorra továbbítják, az áramkörök galván izolációját végrehajtva. A megnövekedett frekvencia miatt nő a transzformátor hatékonysága, mágneses áramköre és súlya csökken. Leggyakrabban ferromágneseket használnak ilyen mag anyagához, és ezekben az eszközökben gyakorlatilag nem használnak elektromos acélt. Ez is hozzájárul az általános tervezés minimalizálásához.

A kapcsolási tápegység egyik verziója az áramkörök transzformátor leválasztásával a képen látható.

Az ilyen eszközökben három összekapcsolt lánc van:

1. PWM vezérlő;

2. bekapcsológombok;

3. impulzus transzformátor.

Hogyan működik a PWM vezérlő?

A vezérlő egy eszköz, amely vezérli a folyamatot. A vizsgált tápegységben ez az impulzusszélesség-moduláció átalakításának folyamata. Az elv alapja az azonos frekvenciájú, de eltérő kapcsolási idővel rendelkező impulzusok generálása.

A lendületteljesítmény megfelel egy logikai egység megnevezésének, a hiány pedig nullának felel meg. Sőt, mind nagyságrendjükben és gyakoriságukban azonosak (azonos T oszcillációs periódussal rendelkeznek). Az egység bekapcsolt állapotának időtartama és az időhöz viszonyított változása megváltozik, és lehetővé teszi az elektronikus áramkörök működésének ellenőrzését.

A SHIP szekvenciák tipikus változásait a grafikon mutatja.

A vezérlők általában ilyen impulzusokat állítanak elő 30–60 kHz frekvenciával.

Példa erre a TL494 chipen készített vezérlő. Az impulzusok generációs gyakoriságának beállításához kondenzátorokkal ellátott ellenállásokból álló áramkört használunk.

A bekapcsológombok kaszkádja

Erős tranzisztorokból áll, amelyeket bipoláris, terepi vagy IGBT modellek közül választhatnak. Egyénileg vezérlőrendszert lehet létrehozni számukra más alacsony teljesítményű tranzisztorokon vagy integrált meghajtókon.

A bekapcsológombok különféle módon kapcsolhatók be:

• áthidalni;

• fél híd;

• egy középponttal.

Impulzus transzformátor

A ferritből vagy alsiferből készült mágneses mag körül elhelyezett primer és szekunder tekercsek megbízhatóan továbbíthatják a 100 kHz-ig terjedő frekvenciájú nagyfrekvenciás impulzusokat.

Munkájukat szűrők, stabilizátorok, diódák és egyéb alkatrészek láncai egészítik ki.

Kapcsoló tápegységek galvanikus leválasztás nélkül

A galvanikus leválasztást kizáró algoritmusok szerint tervezett kapcsoló tápegységekben nem használnak nagyfrekvenciás leválasztó transzformátort, és a jel közvetlenül az aluláteresztő szűrőhöz vezet. Az áramkör működésének hasonló elvét az alábbiakban mutatjuk be.

A kimeneti feszültség stabilizálásának jellemzői

Minden kapcsoló tápegység olyan elemeket tartalmaz, amelyek negatív visszacsatolást adnak a kimeneti paraméterekkel. Ennek köszönhetően a kimeneti feszültség stabilizálódik a változó terhelések és az ellátóhálózat ingadozása alatt.

A visszacsatolás végrehajtásának módszerei az energiaellátás működtetéséhez használt sémától függenek. Ezt galvanikus leválasztással működő egységekben lehet végrehajtani, az alábbiak miatt:

1. a kimeneti feszültség közbenső hatása a nagyfrekvenciás impulzus-transzformátor egyik tekercsére;

2. Optocsatoló használata.

Mindkét esetben ezek a jelek szabályozzák a PWM vezérlő kimenetére továbbított impulzusok ciklusát.

Ha egy áramkört galvanikus leválasztás nélkül használnak, a visszacsatolást általában egy ellenállásos feszültségválasztó csatlakoztatásával hozzák létre.

A tápegységek átkapcsolásának előnyei a hagyományos analóghoz képest

Ha összehasonlítják a blokkok terveit azonos teljesítménymutatókkal, a kapcsolási tápegységeknek a következő előnyök vannak:

1. csökkent súly;

2. fokozott hatékonyság;

3. alacsonyabb költség;

4. kiterjesztett tápfeszültség-tartomány;

5. a beépített védelem megléte.

1. A kapcsoló tápegységek csökkentett súlya és méretei azzal magyarázhatók, hogy az alacsony frekvenciájú energiaátalakításokról nagy teljesítményű és nehéz teljesítményű transzformátorok átalakulnak, amelyek vezérlőrendszerei nagy hűtő radiátorokon helyezkednek el és állandó lineáris üzemmódban működnek, az impulzus átalakító és szabályozó technológiákká.

A feldolgozott jel frekvenciájának növelésével a feszültségszűrők kapacitása és ennek megfelelően méretük csökken. Egyenesítésük séma is leegyszerűsödik a legegyszerűbb félhullámra való átállásig.

2. Az alacsony frekvenciájú transzformátoroknál az energiaveszteség jelentős hányadát okozza a hő felszabadulása és eloszlása ​​az elektromágneses átalakítások végrehajtása során.

Az impulzus blokkokban a legnagyobb energiaveszteség tranziensek során keletkezik a teljesítménykapcsoló kaszkádok kapcsolásakor. És a többi idő alatt a tranzisztorok stabil helyzetben vannak: nyitva vagy zárva. Ezzel a feltétellel minden körülmény megteremtésre kerül a minimális villamosenergia-veszteséghez, amikor a hatékonyság 90–98% lehet.

3. A kapcsoló tápegységek ára fokozatosan csökken az elembázis folyamatos egyesítése miatt, amelyet robotgéppel ellátott, teljesen gépesített vállalatok széles köre készít. Ezenkívül a vezérelt gombokon alapuló tápelemek működési módja lehetővé teszi a kevésbé erős félvezető elemek használatát.

4. Az impulzus technológia lehetővé teszi az egységek tápellátását különböző frekvenciájú és amplitúdójú feszültségforrásokból. Ez kibővíti azok alkalmazási körét működési körülmények között, különféle villamosenergia-szabványokkal.

5. A kisméretű digitális technológiai félvezető modulok használatának köszönhetően megbízhatóan integrálható a védelem az impulzus blokkok tervezésében, amelyek ellenőrzik a rövidzárlati áramok előfordulását, lekapcsolják a terheléseket az eszköz kimenetén és más vészhelyzeti módokat.

A hagyományos transzformátor tápegységekhez az ilyen védelem a régi elektromechanikus, relé, félvezető alapon jött létre. A digitális technológia rájuk történő alkalmazása a legtöbb rendszerben jelenleg nincs értelme. Kivétel az élelmiszer-esetek:

• komplex háztartási készülékek kis teljesítményű vezérlőáramkörei;

• alacsony pontosságú, nagy pontosságú vezérlőberendezések, például mérőberendezésekben vagy metrológiai célokra (digitális villamos fogyasztásmérők, voltmérők).

A tápegységek kapcsolásának hátrányai

V / h interferencia

Mivel a kapcsoló tápegységek a nagyfrekvenciás impulzusok átalakításának elvén működnek, bármilyen kivitelben interferenciát okoznak a környezetre. Ez szükségessé teszi ezeket a különféle módszerek elnyomását.

Bizonyos esetekben a zajszűrés hatástalan lehet, ami kiküszöböli a kapcsoló tápegységek használatát bizonyos típusú precíziós digitális berendezéseknél.

Teljesítmény korlátok

A kapcsoló tápegységek ellenjavallatot jelentenek nemcsak nagy, hanem alacsony terhelés esetén is. Ha a kimeneti áramkörben a minimális kritikus értékön kívül eső erőteljes csökkenés történik, akkor az indítási áramkör meghibásodhat, vagy az egység torz műszaki jellemzőkkel feszültséget ad ki, amely nem felel meg az üzemi tartománynak.

És ebben a cikkben olvassa el kapcsoló tápegységek javítása.