Diferența dintre sursa de alimentare liniară și sursa de alimentare comutată
Conform principiului de conversie, sursele de alimentare pot fi clasificate în surse de alimentare liniare și surse de alimentare în comutație. Când clasificăm sursele de alimentare liniare și sursele de alimentare în comutație, trebuie de fapt să clarificăm dacă este AC/DC sau DC/DC. Deşi această clasificare are ca scop distingerea principiilor transformării. Dar sunt sursele de alimentare liniare și sursele de alimentare în comutație care realizează funcții AC/DC un proces complet de conversie a AC în DC, iar unele dintre circuite sunt compuse din DC/DC.
Alimentare liniară și sursă de alimentare comutată pentru AC/DC
Există multe manuale, cărți și articole care se referă direct la sursele de alimentare liniare ca „surse de energie liniară pentru AC/DC”. Ce este o sursă de energie liniară? Sursa de alimentare liniară reduce mai întâi amplitudinea tensiunii de curent alternativ printr-un transformator, apoi o redresează printr-un circuit redresor pentru a obține putere de curent continuu pulsat și apoi o filtrează pentru a obține o tensiune de curent continuu cu o tensiune de ondulare mică.
Caracteristicile sursei de alimentare liniară AC/DC și ale sursei de alimentare comutatoare sunt diferite după cum urmează:
Alimentarea liniară a AC/DC este mai întâi redusă de tensiunea AC folosind un transformator de frecvență a puterii și apoi rectificată. După reducerea tensiunii printr-un transformator, tensiunea a devenit relativ scăzută, iar cipurile de putere, cum ar fi un regulator de tensiune cu trei terminale, pot fi folosite pentru stabilizarea tensiunii. Tubul de reglare al sursei de alimentare liniare funcționează într-o stare amplificată, rezultând o generare mare de căldură și o eficiență scăzută (legată de căderea de tensiune), necesitând adăugarea unui radiator voluminos. Volumul transformatoarelor de frecvență a puterii este, de asemenea, relativ mare, iar atunci când se produc mai multe seturi de ieșiri de tensiune, volumul transformatorului va fi mai mare.
Tubul de reglare al sursei de alimentare comutatoare AC/DC funcționează în stări de saturație și întrerupere, rezultând o generare scăzută de căldură și o eficiență ridicată. Sursa de alimentare în comutație AC/DC elimină necesitatea transformatoarelor de frecvență de putere voluminoase. Cu toate acestea, ieșirea DC a sursei de alimentare comutatoare AC/DC va avea ondulații mai mari, care pot fi îmbunătățite prin conectarea unei diode regulatoare de tensiune la capătul de ieșire. În plus, datorită interferenței pulsului de vârf generată în timpul funcționării tubului comutator, margele magnetice trebuie conectate în serie în circuit pentru a se îmbunătăți. Relativ vorbind, ondulația unei surse de alimentare liniare poate fi foarte mică. Comutarea surselor de alimentare poate fi realizată prin diferite structuri topologice, cum ar fi reducerea tensiunii, amplificarea și amplificarea, în timp ce sursele de alimentare liniare pot realiza doar reducerea tensiunii.
Multe adaptoare de alimentare timpurii erau relativ grele, iar principiul lor de conversie era sursa de alimentare liniară AC/DC, care folosea un transformator de frecvență de putere intern. Sursa de alimentare liniară AC/DC folosește mai întâi un transformator pentru a reduce tensiunea AC. Acest tip de transformator, care reduce direct tensiunea din rețea, se numește transformator de frecvență a puterii, așa cum se arată în Figura 1.9. Transformatoarele de frecvență de putere, cunoscute și sub numele de transformatoare de joasă frecvență, le diferențiază de transformatoarele de înaltă frecvență utilizate în comutarea surselor de alimentare. Transformatoarele de frecvență de putere au fost utilizate pe scară largă în sursele de energie tradiționale în trecut. Frecvența standard a alimentării rețelei în industria energetică, cunoscută și sub denumirea de rețea („alimentarea rețelei” se referă la sursa de alimentare utilizată în principal de locuitorii din orașe), este de 50 Hz în China și 60 Hz în alte țări. Un transformator care poate modifica tensiunea curentului alternativ la această frecvență se numește transformator de frecvență de putere. Transformatoarele de frecvență de putere sunt în general mai mari ca dimensiuni în comparație cu transformatoarele de înaltă frecvență. Deci, volumul sursei de alimentare liniară AC/DC implementată cu transformatoare de frecvență de putere este relativ mare.
Sursa de alimentare comutată AC/DC necesită mai întâi rectificarea și filtrarea sursei de alimentare CA pentru a forma o tensiune de înaltă tensiune CC aproximativă și apoi controlul comutatorului pentru a genera impulsuri de înaltă frecvență, care sunt transformate printr-un transformator. Sursa de alimentare comutată AC/DC are o eficiență mai mare și o dimensiune mai mică. Un motiv important pentru dimensiunea sa mică este că transformatoarele de înaltă frecvență sunt mult mai mici decât transformatoarele de frecvență de putere. De ce cu cât frecvența este mai mare, cu atât volumul transformatorului este mai mic?
Materialele miezului transformatorului au limite de saturație, deci există limite pentru puterea de vârf a câmpului magnetic. Curentul, intensitatea câmpului magnetic și fluxul magnetic al curentului alternativ sunt toate semnale sinusoidale. Știm că pentru semnalele sinusoidale de aceeași amplitudine, cu cât frecvența este mai mare, cu atât vârful „rata de schimbare” a semnalului este mai mare (momentul în care semnalul sinusoidal trece de zero este vârful „vitei de schimbare”, în timp ce rata de schimbare la vârful semnalului este 0). Între timp, tensiunea indusă este determinată de viteza de schimbare a fluxului magnetic. Deci, pentru aceeași tensiune pe tură, cu cât frecvența este mai mare, cu atât fluxul magnetic de vârf necesar este mai mic. Dar, așa cum sa menționat mai sus, valoarea de vârf a intensității câmpului magnetic este limitată. Prin urmare, dacă necesarul de flux magnetic este redus, aria secțiunii transversale a miezului de fier poate fi redusă. Analiza de mai sus presupune aceeași tensiune pe tură. Și tensiunea pe tură este legată de putere. Prin urmare, asumând aceeași putere. Dacă puterea este mai mică, curentul este, de asemenea, mai mic, iar firul permis este mai subțire, iar rezistența este puțin mai mare, este permisă creșterea numărului de spire. În acest fel, se reduce și tensiunea pe tură, ceea ce poate reduce și necesarul de flux magnetic. Apoi reduceți volumul. De asemenea, analiza de mai sus presupune că materialul este constant, adică intensitatea câmpului magnetic de saturație este constantă. Desigur, dacă se folosesc materiale cu o intensitate mai mare a câmpului magnetic de saturație, volumul poate fi, de asemenea, redus. Știm că, în comparație cu transformatoarele de aceeași dimensiune cu zeci de ani în urmă, transformatoarele au în zilele noastre volume mult mai mici, deoarece acum folosesc materiale noi de miez de fier.
Conform ecuației lui Maxwell, forța electromotoare indusă E în bobina transformatorului este
Adică, integrala vitezei de modificare a densității fluxului magnetic B în timp pe N spire de sârmă cu o zonă de Ac.
Pentru transformatoare, forța electromotoare indusă E pe partea primară a transformatorului și tensiunea U aplicată pe partea de intrare pot fi considerate ca o relație liniară. Pornind de la premisa că amplitudinea lui U pe partea de intrare a transformatorului rămâne neschimbată, se poate considera că și amplitudinea lui E rămâne neschimbată.
În plus, există o limită superioară pentru densitatea fluxului magnetic B a fiecărui tip de miez magnetic. Ferita folosită pentru aplicațiile de înaltă frecvență este de aproximativ câteva zecimi de Tesla, în timp ce miezul de fier folosit pentru aplicațiile de frecvență de putere este în jur de un nivel puțin mai mare decât unul, cu o mică diferență.
Prin urmare, atunci când frecvența crește, rata de modificare a densității fluxului magnetic dB/dt în timpul fiecărui ciclu crește semnificativ, cu condiția ca modificarea de vârf a densității fluxului magnetic B să nu fie semnificativă. Prin urmare, Ac sau N mai mic poate fi utilizat pentru a obține aceeași forță electromotoare indusă E. O scădere a Ac înseamnă o scădere a ariei secțiunii transversale a miezului magnetic; O scădere a lui N înseamnă că aria ferestrei goale a miezului magnetic poate fi redusă, ambele putând ajuta la obținerea unui volum mai mic al miezului magnetic. Aria secțiunii transversale a unui transformator de înaltă frecvență este mai mică, iar numărul de spire din bobină scade, rezultând un volum mai mic.
Tubul de reglare al sursei de comutare funcționează în stări de saturație și întrerupere, rezultând o generare scăzută de căldură și o eficiență ridicată. Sursele de alimentare cu comutație AC/DC nu necesită utilizarea unor transformatoare mari de frecvență de putere. Cu toate acestea, ieșirea DC a sursei de alimentare cu comutație va avea ondulații mari suprapuse. În plus, datorită interferenței cu impulsuri de vârf mari generate în timpul funcționării tranzistorului de comutare, este, de asemenea, necesară filtrarea sursei de alimentare în circuit pentru a îmbunătăți calitatea sursei de alimentare. Relativ vorbind, sursele de putere liniare nu au defectele de mai sus, iar ondulația lor poate fi foarte mică.
