O que é uma fonte de alimentação comutada e como ela difere de um analógico convencional

Em muitos aparelhos elétricos, o princípio da implementação de energia secundária é aplicado há muito tempo pelo uso de dispositivos adicionais, aos quais é confiada a função de fornecer eletricidade a circuitos que precisam de energia de certos tipos de voltagem, freqüência, corrente ...

Para isso, elementos adicionais são criados: fontes de alimentaçãotransformando a tensão de um tipo em outro. Eles podem ser:

• embutido no caso do consumidor, como em muitos dispositivos de microprocessador;

• ou fabricado por módulos separados com fios de conexão, semelhantes a um carregador convencional em um telefone celular.

Na engenharia elétrica moderna, dois princípios de conversão de energia para consumidores elétricos, baseados em:

1. o uso de dispositivos transformadores analógicos para transmitir energia ao circuito secundário;

2. comutação de fontes de alimentação.

Eles têm diferenças fundamentais em seu design, trabalham em diferentes tecnologias.

Fontes de alimentação do transformador

Inicialmente, apenas esses projetos foram criados. Eles alteram a estrutura de tensão devido à operação de um transformador de energia alimentado por uma rede doméstica de 220 volts, na qual a amplitude do harmônico sinusoidal diminui e depois são enviados para um dispositivo retificador composto por diodos de potência, que geralmente são conectados de acordo com o circuito da ponte.

Depois disso, a tensão de ondulação é suavizada em paralelo por uma capacitância selecionada de acordo com o valor da potência permitida e estabilizada por um circuito semicondutor com transistores de potência.

Alterando a posição dos resistores de sintonia no circuito de estabilização, é possível ajustar a tensão nos terminais de saída.

Fontes de alimentação comutadas (UPS)

Esses desenvolvimentos de design surgiram em grande número há várias décadas e começaram a gozar de crescente popularidade em dispositivos elétricos devido a:

• a disponibilidade de completar uma base elementar comum;

• confiabilidade na execução;

• as possibilidades de expandir a faixa de trabalho das tensões de saída.

Quase todas as fontes de comutação da fonte de alimentação diferem ligeiramente no design e operam de acordo com um esquema típico de outros dispositivos.

As principais partes das fontes de alimentação incluem:

• um retificador de rede montado a partir de: bloqueadores de entrada, um filtro eletromecânico que fornece a detecção de interferência e isolamento de estática com capacitores, fusível de rede e ponte de diodos;

• capacidade de filtragem cumulativa;

• transistor de potência chave;

• oscilador mestre;

• circuito de feedback feito em transistores;

• optocoupler;

• comutação da fonte de alimentação, do enrolamento secundário cuja tensão é emitida para conversão em um circuito de potência;

• diodos retificadores do circuito de saída;

• tensão de saída do circuito de controle, por exemplo, 12 volts com o ajuste feito em um acoplador óptico e transistores;

• capacitores de filtro;

• a energia engasga, desempenhando o papel de correção de tensão e seu diagnóstico na rede;

• conectores de saída.

Um exemplo de uma placa eletrônica de uma fonte de alimentação de comutação semelhante com uma breve designação da base do elemento é mostrado na figura.

Como uma fonte de alimentação comutada

A fonte de alimentação comutada produz uma tensão de fonte estabilizada através do uso dos princípios de interação dos elementos do circuito do inversor.

A tensão de rede de 220 volts é fornecida através dos fios conectados ao retificador. Sua amplitude é suavizada por um filtro capacitivo devido ao uso de capacitores que suportam picos da ordem de 300 volts e é separada por um filtro de interferência.

Entrada ponte de diodo retifica os sinusóides que passam por ele, que são transformados por um circuito transistorizado em pulsos retangulares e de alta frequência com um determinado ciclo de trabalho. Eles podem ser convertidos:

1. com separação galvânica da rede de alimentação dos circuitos de saída;

2. sem realizar tal desfecho.

Fonte de alimentação comutada isolada

Nesse caso, os sinais de alta frequência são enviados para um transformador de pulso, realizando o isolamento galvânico dos circuitos. Devido ao aumento da frequência, a eficiência do uso de um transformador aumenta, as dimensões de seu circuito magnético e o peso são reduzidos. Na maioria das vezes, os ferromagnetos são usados ​​para um material desse núcleo e o aço elétrico praticamente não é usado nesses dispositivos. Também ajuda a minimizar o design geral.

Uma das versões do circuito de fonte de alimentação chaveada com isolamento do transformador dos circuitos é mostrada na figura.

Nesses dispositivos, existem três cadeias interconectadas:

1. controlador PWM;

2. uma cascata de teclas de força;

3. transformador de pulso.

Como um controlador PWM funciona?

Um controlador é um dispositivo que controla um processo. Na fonte de alimentação em questão, é o processo de conversão da modulação por largura de pulso. É baseado no princípio de gerar pulsos da mesma frequência, mas com diferentes tempos de comutação.

O suprimento de momento corresponde à designação de uma unidade lógica e a ausência corresponde a zero. Além disso, todos são iguais em magnitude e frequência (têm o mesmo período de oscilação T). A duração do estado ligado da unidade e sua relação com o período mudam e permitem controlar a operação de circuitos eletrônicos.

Alterações típicas nas sequências SHIP são mostradas no gráfico.

Os controladores geralmente criam esses pulsos com uma frequência de 30 ~ 60 kHz.

Um exemplo é um controlador feito em um chip TL494. Para ajustar a frequência de geração de seus pulsos, é utilizado um circuito composto por resistores com capacitores.

Cascata de trabalho das teclas de energia

Consiste em transistores poderosos que são selecionados a partir de modelos bipolares, de campo ou IGBT. Um sistema de controle individual pode ser criado para eles em outros transistores de baixa potência ou drivers integrados.

As teclas de energia podem ser ativadas de várias maneiras:

• calçada;

• meia ponte;

• com um ponto médio.

Transformador de pulso

Os enrolamentos primário e secundário montados em torno de um núcleo magnético feito de ferrita ou alsifer podem transmitir, de maneira confiável, pulsos de alta frequência com frequências de até 100 kHz.

Seu trabalho é complementado por correntes de filtros, estabilizadores, diodos e outros componentes.

Fontes de alimentação comutadas sem isolamento galvânico

Na comutação de fontes de alimentação projetadas de acordo com algoritmos que excluem o isolamento galvânico, um transformador de isolamento de alta frequência não é usado e o sinal vai diretamente para o filtro passa-baixo. Um princípio similar de operação do circuito é mostrado abaixo.

Características da estabilização da tensão de saída

Todas as fontes de alimentação comutadas incorporam elementos que fornecem feedback negativo com os parâmetros de saída. Devido a isso, eles têm boa estabilização da tensão de saída sob cargas e flutuações na rede de alimentação.

Os métodos para implementar feedback dependem do esquema usado para operar a fonte de alimentação. Pode ser realizado em unidades que operam com isolamento galvânico devido a:

1. efeito intermediário da tensão de saída em um dos enrolamentos de um transformador de pulso de alta frequência;

2. O uso de um optocoupler.

Nos dois casos, esses sinais controlam o ciclo de trabalho dos pulsos fornecidos à saída do controlador PWM.

Ao usar um circuito sem isolamento galvânico, o feedback geralmente é criado ao conectar um divisor de tensão resistivo.

Vantagens de alternar fontes de alimentação em relação ao analógico convencional

Ao comparar os projetos de blocos com indicadores de desempenho iguais, as fontes de alimentação comutadas têm as seguintes vantagens:

1. peso reduzido;

2. aumento da eficiência;

3. menor custo;

4. faixa estendida de tensões de alimentação;

5. a presença de proteções embutidas.

1. O peso e as dimensões reduzidos das fontes de alimentação comutadas são explicados pela transição de conversões de energia de baixa frequência por transformadores de potência pesados ​​e potentes com sistemas de controle localizados em grandes radiadores de resfriamento e operando em um modo linear constante para tecnologias de conversão e regulação de pulsos.

Ao aumentar a frequência do sinal processado, a capacitância dos filtros de tensão e, consequentemente, suas dimensões são reduzidas. Seu esquema de endireitamento também é simplificado até a transição para a meia onda mais simples.

2. Para transformadores de baixa frequência, uma proporção significativa de perda de energia é criada devido à liberação e dissipação de calor ao realizar transformações eletromagnéticas.

Em blocos de impulso, as maiores perdas de energia são criadas durante a ocorrência de transientes durante a comutação de cascatas de teclas de força. E o resto do tempo, os transistores estão em uma posição estável: aberta ou fechada. Com essa condição, todas as condições são criadas para a perda mínima de eletricidade, quando a eficiência pode ser de 90% a 98%.

3. O preço das fontes de alimentação comutadas está diminuindo gradualmente devido à unificação contínua da base de elementos, feita por uma ampla gama de empresas totalmente mecanizadas com máquinas robóticas. Além disso, o modo de operação dos elementos de potência baseados em chaves controladas permite o uso de componentes semicondutores menos potentes.

4. A tecnologia de pulso permite alimentar unidades de fontes de tensão com diferentes frequências e amplitudes. Isso amplia o escopo de sua aplicação em condições operacionais com vários padrões de energia elétrica.

5. Graças ao uso de módulos semicondutores de tecnologia digital de pequeno porte, é possível integrar de forma confiável proteções ao projeto de blocos de pulso, que controlam a ocorrência de correntes de curto-circuito, desconectam cargas na saída do dispositivo e outros modos de emergência.

Para fontes de alimentação de transformadores convencionais, essas proteções foram criadas na antiga base eletromecânica de relés e semicondutores. A aplicação da tecnologia digital na maioria dos esquemas agora não faz sentido. A exceção são os casos de alimentos:

• circuitos de controle de baixa potência de aparelhos domésticos complexos;

• dispositivos de controle de baixa precisão de alta precisão, por exemplo, utilizados em equipamentos de medição ou para fins metrológicos (medidores digitais de eletricidade, voltímetros).

Desvantagens de alternar fontes de alimentação

Interferência V / h

Como as fontes de alimentação comutadas operam com o princípio de converter pulsos de alta frequência, em qualquer projeto, produzem interferência transmitida ao ambiente. Isso cria a necessidade de suprimi-los de várias maneiras.

Em alguns casos, o cancelamento de ruído pode ser ineficiente, o que elimina o uso de fontes de alimentação comutadas para certos tipos de equipamentos digitais de precisão.

Limites de potência

As fontes de alimentação comutadas têm uma contra-indicação para trabalhar não apenas em altas, mas também em baixas cargas. Se ocorrer uma queda acentuada na corrente fora do valor crítico mínimo no circuito de saída, o circuito de inicialização poderá falhar ou a unidade emitirá uma tensão com características técnicas distorcidas que não se encaixam na faixa de operação.

E neste artigo, leia sobre reparação de fontes de alimentação comutadas.