Wat is een schakelende voeding en hoe verschilt deze van een conventionele analoog

In veel elektrische apparaten is het principe van het implementeren van secundaire stroom al lang toegepast door het gebruik van extra apparaten, die de functie hebben om elektriciteit te leveren aan circuits die stroom nodig hebben van bepaalde soorten spanning, frequentie, stroom ...

Hiervoor worden extra elementen gemaakt: voedingenhet transformeren van de spanning van het ene type naar het andere. Ze kunnen zijn:

• ingebouwd in de behuizing van de consument, zoals op veel microprocessor-apparaten;

• of gemaakt door afzonderlijke modules met aansluitdraden, vergelijkbaar met een conventionele lader op een mobiele telefoon.

In de moderne elektrotechniek, twee principes van energieconversie voor elektrische verbruikers, gebaseerd op:

1. het gebruik van analoge transformatorapparatuur voor het overbrengen van vermogen naar het secundaire circuit;

2. schakelende voedingen.

Ze hebben fundamentele verschillen in hun ontwerp, werken op verschillende technologieën.

Transformator voedingen

Aanvankelijk werden alleen dergelijke ontwerpen gemaakt. Ze veranderen de spanningsstructuur als gevolg van de werking van een vermogenstransformator aangedreven door een 220 volt huishoudnetwerk, waarin de amplitude van de sinusvormige harmonische afneemt, en vervolgens verzonden naar een gelijkrichter bestaande uit vermogensdioden, die meestal worden aangesloten volgens het brugcircuit.

Daarna wordt de rimpelspanning parallel afgevlakt door een capaciteit gekozen volgens de waarde van het toelaatbare vermogen, en gestabiliseerd door een halfgeleidercircuit met vermogenstransistoren.

Door de positie van de afstemweerstanden in het stabilisatiecircuit te wijzigen, is het mogelijk om de spanning op de uitgangsklemmen aan te passen.

Schakelvoedingen (UPS)

Dergelijke ontwerpontwikkelingen verschenen enkele tientallen jaren geleden in grote aantallen en begonnen te genieten van toenemende populariteit in elektrische apparaten vanwege:

• de beschikbaarheid van het voltooien van een gemeenschappelijke elementaire basis;

• betrouwbaarheid in uitvoering;

• de mogelijkheden om het werkbereik van uitgangsspanningen uit te breiden.

Bijna alle bronnen van stroomvoorziening verschillen enigszins in ontwerp en werken volgens een schema dat typerend is voor andere apparaten.

De belangrijkste onderdelen van voedingen zijn:

• een netwerkgelijkrichter samengesteld uit: ingangssmoorspoelen, een elektromechanisch filter dat zorgt voor afstelling van interferentie en isolatie van statica met condensatoren, een netzekering en een diodebrug;

• cumulatieve filtercapaciteit;

• sleutel vermogen transistor;

• hoofdoscillator;

• feedbackcircuit gemaakt op transistoren;

• optocoupler;

• schakelende voeding, van de secundaire wikkeling waarvan een spanning wordt uitgezonden voor omzetting in een vermogensschakeling;

• gelijkrichtdioden van het uitgangscircuit;

• stuuruitgangsspanning, bijvoorbeeld 12 volt met afstemming op een optocoupler en transistoren;

• filter condensatoren;

• stroomspoelen, uitvoeren van de rol van spanningscorrectie en de diagnostiek ervan in het netwerk;

• uitgangsaansluitingen.

Een voorbeeld van een elektronische kaart van een vergelijkbare schakelvoeding met een korte aanduiding van de elementbasis wordt in de afbeelding getoond.

Hoe werkt een schakelende voeding

De schakelende voeding levert een gestabiliseerde voedingsspanning door het gebruik van de principes van interactie van de elementen van het invertercircuit.

De netwerkspanning van 220 volt wordt via de aangesloten draden aan de gelijkrichter geleverd. De amplitude wordt afgevlakt door een capacitief filter vanwege het gebruik van condensatoren die pieken in de orde van 300 volt weerstaan, en wordt gescheiden door een interferentiefilter.

invoer diodebrug rectificeert de sinusoïden die er doorheen gaan, die vervolgens door een transistorcircuit worden omgezet in pulsen met een hoge frequentie en rechthoekige vorm met een bepaalde werkcyclus. Ze kunnen worden omgezet:

1. met galvanische scheiding van het voedingsnetwerk van de uitgangscircuits;

2. zonder een dergelijke ontknoping uit te voeren.

Geïsoleerde stroomvoorziening

In dit geval worden hoogfrequente signalen verzonden naar een pulstransformator, die galvanische isolatie van de circuits uitvoert. Vanwege de verhoogde frequentie neemt de efficiëntie van het gebruik van een transformator toe, worden de afmetingen van het magnetische circuit en het gewicht verminderd. Meestal worden ferromagneten gebruikt voor het materiaal van een dergelijke kern en wordt elektrisch staal praktisch niet gebruikt in deze apparaten. Het helpt ook het algehele ontwerp te minimaliseren.

Een van de versies van het schakelvoedingscircuit met transformatorisolatie van de circuits wordt op de afbeelding getoond.

Deze apparaten hebben drie onderling verbonden ketens:

1. PWM-controller;

2. een cascade van stroomtoetsen;

3. pulstransformator.

Hoe werkt een PWM-controller?

Een controller is een apparaat dat een proces bestuurt. In de betreffende voedingseenheid is dit het proces van het omzetten van pulsbreedtemodulatie. Het is gebaseerd op het principe van het genereren van pulsen met dezelfde frequentie, maar met verschillende schakeltijden.

De impulslevering komt overeen met de aanduiding van een logische eenheid en de afwezigheid komt overeen met nul. Bovendien zijn ze allemaal gelijk in grootte en frequentie (hebben dezelfde oscillatieperiode T). De duur van de aan-status van het apparaat en zijn relatie tot de periodeverandering en stelt u in staat om de werking van elektronische circuits te regelen.

Typische wijzigingen in de SHIP-reeksen worden in de grafiek weergegeven.

Controllers maken meestal dergelijke pulsen met een frequentie van 30 - 60 kHz.

Een voorbeeld is een controller gemaakt op een TL494-chip. Om de frequentie van het genereren van zijn pulsen aan te passen, wordt een circuit bestaande uit weerstanden met condensatoren gebruikt.

Werk cascade van power toetsen

Het bestaat uit krachtige transistoren die worden geselecteerd uit bipolaire, veld- of IGBT-modellen. Een individueel besturingssysteem kan voor hen worden gemaakt op andere transistors met laag vermogen of geïntegreerde stuurprogramma's.

Aan / uit-toetsen kunnen op verschillende manieren worden ingeschakeld:

• overbruggen;

• halve brug;

• met een middelpunt.

Puls transformator

De primaire en secundaire wikkelingen gemonteerd rond een magnetische kern gemaakt van ferriet of alsifer kunnen betrouwbaar hoogfrequente pulsen uitzenden met frequenties tot 100 kHz.

Hun werk wordt aangevuld met ketens van filters, stabilisatoren, diodes en andere componenten.

Schakelvoedingen zonder galvanische isolatie

In schakelvoedingen die zijn ontworpen volgens algoritmen die galvanische isolatie uitsluiten, wordt geen hoogfrequente scheidingstransformator gebruikt en gaat het signaal rechtstreeks naar het laagdoorlaatfilter. Een soortgelijk werkingsprincipe van het circuit wordt hieronder weergegeven.

Kenmerken van uitgangsspanningsstabilisatie

Alle schakelende voedingen bevatten elementen die negatieve feedback geven met de uitgangsparameters. Hierdoor hebben ze een goede stabilisatie van de uitgangsspanning onder veranderende belastingen en schommelingen in het voedingsnetwerk.

De methoden voor het implementeren van feedback zijn afhankelijk van het schema dat wordt gebruikt om de voeding te bedienen. Het kan worden uitgevoerd in units die werken met galvanische isolatie vanwege:

1. intermediair effect van de uitgangsspanning op een van de wikkelingen van een hoogfrequente pulstransformator;

2. Het gebruik van een optocoupler.

In beide gevallen regelen deze signalen de duty-cycle van de pulsen die aan de uitgang van de PWM-controller worden geleverd.

Bij gebruik van een circuit zonder galvanische isolatie, wordt feedback meestal gecreëerd door een resistieve spanningsdeler aan te sluiten.

Voordelen van schakelende voedingen ten opzichte van conventionele analoge

Bij het vergelijken van de ontwerpen van blokken met gelijke prestatie-indicatoren hebben schakelvoedingen de volgende voordelen:

1. verminderd gewicht;

2. verhoogde efficiëntie;

3. lagere kosten;

4. uitgebreid bereik van voedingsspanningen;

5. de aanwezigheid van ingebouwde beveiligingen.

1. Het verminderde gewicht en de afmetingen van schakelvoedingen worden verklaard door de overgang van laagfrequente energieomzettingen door krachtige en zware vermogenstransformatoren met regelsystemen op grote koelradiatoren die in een constante lineaire modus werken naar pulsconversie en reguleringstechnologieën.

Door de frequentie van het verwerkte signaal te verhogen, wordt de capaciteit van de spanningsfilters en, dienovereenkomstig, hun afmetingen verminderd. Hun richtschema is ook vereenvoudigd tot de overgang naar de eenvoudigste halve golf.

2. Voor laagfrequente transformatoren ontstaat een aanzienlijk deel van het energieverlies door de afgifte en dissipatie van warmte bij het uitvoeren van elektromagnetische transformaties.

In pulsblokken worden de grootste energieverliezen gecreëerd tijdens transiënten tijdens het schakelen van stroomschakelaarcascades. En de rest van de tijd bevinden transistoren zich in een stabiele positie: open of gesloten. Met deze voorwaarde worden alle voorwaarden gecreëerd voor het minimale verlies van elektriciteit, wanneer het rendement 90 ÷ 98% kan zijn.

3. De prijs van schakelende voedingen daalt geleidelijk als gevolg van de voortdurende eenwording van de elementbasis, die wordt gemaakt door een breed scala van volledig gemechaniseerde ondernemingen met robotmachines. Bovendien maakt de bedrijfsmodus van voedingselementen op basis van gecontroleerde toetsen het gebruik van minder krachtige halfgeleidercomponenten mogelijk.

4. Puls-technologie stelt u in staat om voedingseenheden van spanningsbronnen met verschillende frequenties en amplitudes te voeden. Dit vergroot de reikwijdte van hun toepassing in bedrijfsomstandigheden met verschillende normen voor elektrische energie.

5. Dankzij het gebruik van kleine digitale halfgeleidermodules is het mogelijk om beveiligingen betrouwbaar te integreren in het ontwerp van pulsblokken, die het optreden van kortsluitstromen regelen, belastingen op de uitgang van het apparaat loskoppelen en andere noodmodi.

Voor conventionele transformatorvoedingen werden dergelijke beveiligingen gecreëerd op de oude elektromechanische, relais-, halfgeleiderbasis. Het toepassen van digitale technologie in de meeste schema's is nu niet logisch. De uitzondering zijn voedselgevallen:

• low-power stuurcircuits van complexe huishoudelijke apparaten;

• zeer nauwkeurige regelapparatuur van hoge nauwkeurigheid, bijvoorbeeld gebruikt in meetapparatuur of metrologische doeleinden (digitale elektriciteitsmeters, voltmeters).

Nadelen van schakelende voedingen

V / h interferentie

Omdat schakelvoedingen werken volgens het principe van het omzetten van hoogfrequente pulsen, produceren ze in elk ontwerp interferentie die naar de omgeving wordt overgedragen. Dit creëert de noodzaak om ze op verschillende manieren te onderdrukken.

In sommige gevallen kan ruisonderdrukking inefficiënt zijn, wat het gebruik van schakelvoedingen voor bepaalde soorten digitale precisie-apparatuur elimineert.

Vermogenslimieten

Schakelvoedingen hebben een contra-indicatie om niet alleen bij hoge, maar ook bij lage belastingen te werken. Als er een sterke daling van de stroom buiten de minimale kritische waarde in het uitgangscircuit optreedt, kan het opstartcircuit uitvallen of geeft het apparaat een spanning af met vervormde technische kenmerken die niet in het werkbereik passen.

En lees in dit artikel over reparatie van schakelvoedingen.