Jaký je rozdíl mezi pulzním a analogovým napájecím zdrojem?

V mnoha elektrických zařízeních se již dlouho používá princip realizace sekundárního výkonu pomocí přídavných zařízení, kterým jsou svěřeny funkce poskytování elektřiny obvodům, které vyžadují napájení z určitých typů napětí, frekvence, proudu.

Za tímto účelem jsou vytvořeny další prvky: napájecí zdroje, které převádějí napětí jednoho typu na druhý. Mohou to být:

• zabudované uvnitř spotřebitelské skříně, jako na mnoha mikroprocesorových zařízeních;
• nebo vyrobené v samostatných modulech s propojovacími vodiči podobnými běžné nabíječce mobilních telefonů.

V moderní elektrotechnice existují dva principy přeměny energie pro elektrické spotřebiče, založené na:

1. použití analogových transformátorových zařízení pro přenos energie do sekundárního okruhu;

2. spínané zdroje.

Mají zásadní rozdíly ve svém designu a fungují pomocí různých technologií.

Transformátorové napájecí zdroje

Zpočátku vznikaly pouze takové návrhy. Mění strukturu napětí v důsledku provozu výkonového transformátoru, napájeného z domácí sítě 220 V, ve kterém klesá amplituda sinusové harmonické, která je následně posílána do usměrňovacího zařízení sestávajícího z výkonových diod, obvykle zapojených do můstkový obvod.

Poté se pulzující napětí vyhladí paralelně zapojenou kapacitou, zvolenou podle přípustného výkonu, a stabilizuje polovodičovým obvodem s výkonovými tranzistory.

Změnou polohy trimovacích odporů ve stabilizačním obvodu je možné regulovat napětí na výstupních svorkách.

Spínané zdroje (UPS)

Podobný vývoj designu se objevil masově před několika desetiletími a stal se stále populárnějším v elektrických zařízeních kvůli:

• dostupnost společných komponent;
• spolehlivost při provádění;
• možnosti rozšíření pracovního rozsahu výstupních napětí.

Téměř všechny spínané zdroje se designově mírně liší a pracují podle stejného schématu, typického pro jiná zařízení.

Mezi hlavní části napájecích zdrojů patří:

• síťový usměrňovač sestavený z: vstupních tlumivek, elektromechanického filtru, který zajišťuje potlačení šumu a statické izolace od kondenzátorů, síťové pojistky a diodového můstku;
• akumulační filtrační nádrž;
• klíčový výkonový tranzistor;
• hlavní oscilátor;
• zpětnovazební obvod vyrobený pomocí tranzistorů;
• optočlen;
• spínaný napájecí zdroj, z jehož sekundárního vinutí vychází napětí, které má být převedeno na silový obvod;
• usměrňovací diody výstupního obvodu;
• řídicí obvody výstupního napětí, například 12 voltů s nastavením pomocí optočlenu a tranzistorů;
• filtrační kondenzátory;
• výkonové tlumivky, které plní roli korekce napětí a diagnostiky v síti;
• výstupní konektory.

Příklad elektronické desky takového spínaného zdroje se stručným označením základny prvku je na obrázku.

Jak funguje spínaný zdroj?

Spínaný zdroj vytváří stabilizované napájecí napětí využitím principů interakce mezi prvky invertorového obvodu.

Síťové napětí 220 V je přiváděno přes připojené vodiče do usměrňovače. Jeho amplituda je vyhlazena kapacitním filtrem pomocí kondenzátorů, které vydrží špičky kolem 300 voltů, a je oddělena šumovým filtrem.

Vstupní diodový můstek usměrňuje jím procházející sinusoidy, které jsou následně tranzistorovým obvodem převáděny na vysokofrekvenční a obdélníkové impulsy s určitým pracovním cyklem. Mohou být transformovány:

1. s galvanickým oddělením napájecí sítě od výstupních obvodů;

2. bez provedení takového oddělení.

Spínaný zdroj s galvanickým oddělením

V tomto případě jsou vysokofrekvenční signály posílány do pulzního transformátoru, který provádí galvanické oddělení obvodů. Díky zvýšené frekvenci se zvyšuje účinnost použití transformátoru, zmenšují se rozměry jeho magnetického obvodu a hmotnost. Nejčastěji se pro materiál takového jádra používají feromagnety a elektrooceli se v těchto zařízeních prakticky nepoužívají. To také umožňuje minimalizovat celkový design.

Jedna z možností návrhu spínaného napájecího obvodu s transformátorovým oddělením je na obrázku.

V takových zařízeních existují tři vzájemně propojené řetězce:

2. kaskáda výkonových spínačů;

3. pulzní transformátor.

Jak funguje PWM regulátor?

Regulátor je zařízení, které řídí technologický proces. V napájecím zdroji, který zvažujeme, se jedná o proces konverze pulzně-šířkové modulace. Je založen na principu generování impulsů stejné frekvence, ale s různou dobou sepnutí.

Přívod impulsu odpovídá označení logické jedničky a nepřítomnost impulsu odpovídá nule. Navíc jsou všechny stejné co do amplitudy a frekvence (mají stejnou periodu oscilace T). Doba trvání zapnutého stavu jednotky a její vztah k periodě se mění a umožňují vám ovládat činnost elektronických obvodů.

Typické změny v sekvencích DPS jsou znázorněny v grafu.

Regulátory obvykle vytvářejí podobné impulsy s frekvencí 30÷60 kHz.

Příkladem je řadič vyrobený na čipu TL494. Pro nastavení frekvence jeho generování pulzů se používá obvod skládající se z rezistorů a kondenzátorů.

Obsluha kaskády výkonových spínačů

Skládá se z výkonných tranzistorů, které jsou vybírány z bipolárních, polních nebo IGBT modelů. Pro ně lze vytvořit individuální řídicí systém pomocí jiných nízkopříkonových tranzistorů nebo integrovaných ovladačů.

Výkonové spínače lze připojit podle různých schémat:

• dlažba;
• poloviční můstek;
• se středem.

Pulzní transformátor

Primární a sekundární vinutí, namontované kolem magnetického jádra vyrobeného z feritu nebo alsiferu, jsou schopné spolehlivě přenášet vysokofrekvenční pulsy s frekvencí až 100 kHz.

Jejich práci doplňují řetězce filtrů, stabilizátorů, diod a dalších součástek.

Spínané zdroje bez galvanického oddělení

U spínaných zdrojů vyvinutých pomocí algoritmů, které vylučují galvanické oddělení, se nepoužívá vysokofrekvenční izolační transformátor a signál jde přímo do dolní propusti. Podobný princip fungování obvodu je uveden níže.

Vlastnosti stabilizace výstupního napětí

Všechny spínané zdroje obsahují prvky, které poskytují negativní zpětnou vazbu na výstupní parametry. Díky tomu mají dobrou stabilizaci výstupního napětí při měnícím se zatížení a kolísání napájecí sítě.

Metody pro realizaci zpětné vazby závisí na obvodu použitém k provozu napájecího zdroje. Může být prováděn v jednotkách pracujících s galvanickým oddělením kvůli:

1. meziúčinek výstupního napětí na jedno z vinutí vysokofrekvenčního pulzního transformátoru;

2. aplikace optočlenu.

V obou případech tyto signály řídí pracovní cyklus pulzů přiváděných na výstup PWM regulátoru.

Při použití obvodu bez galvanického oddělení se zpětná vazba obvykle vytváří připojením odporového děliče napětí.

Výhody spínaných zdrojů oproti klasickým analogovým

Při porovnání konstrukcí jednotek se stejnými výstupními výkony mají spínané zdroje následující výhody:

1. snížená hmotnost;

2. zvýšená účinnost;

3. nižší náklady;

4. rozšířený rozsah napájecích napětí;

5. přítomnost vestavěných ochran.

1. Snížená hmotnost a rozměry spínaných zdrojů jsou vysvětlovány přechodem od přeměny nízkofrekvenční energie pomocí výkonných a těžkých výkonových transformátorů s řídicími systémy umístěnými na velkých chladicích radiátorech a pracujícími v konstantním lineárním režimu k technologiím pulzní přeměny a regulace. .

Zvýšením frekvence zpracovávaného signálu se zmenšuje kapacita kondenzátorů napěťových filtrů a tím i jejich rozměry. Jejich usměrňovací obvod je také zjednodušen až na přechod na nejjednodušší – půlvlnný.

2. U nízkofrekvenčních transformátorů vzniká značná část energetických ztrát v důsledku uvolňování a rozptylu tepla při elektromagnetických přeměnách.

V pulzních blocích vznikají největší ztráty energie při výskytu přechodových procesů při spínání kaskád výkonových spínačů. A po zbytek času jsou tranzistory ve stabilní poloze: otevřené nebo zavřené. V tomto stavu jsou vytvořeny všechny podmínky pro minimální ztráty elektrické energie, kdy účinnost může být 90÷98%.

3. Cena spínaných zdrojů se postupně snižuje v důsledku pokračující unifikace elementové základny, která se vyrábí v širokém sortimentu v plně mechanizovaných podnicích s robotickými stroji. Provozní režim výkonových prvků na bázi řízených spínačů navíc umožňuje použití méně výkonných polovodičových dílů.

4. Pulzní technologie umožňují napájet napájecí zdroje ze zdrojů napětí s různými frekvencemi a amplitudami. Tím se rozšiřuje rozsah jejich použití v provozních podmínkách s různými normami elektrické energie.

5. Díky použití malých polovodičových modulů pracujících pomocí digitálních technologií je možné do konstrukce pulzních jednotek spolehlivě integrovat ochranu, která řídí výskyt zkratových proudů, odpojování zátěží na výstupu zařízení a další nouzové režimy.

Pro konvenční transformátorové zdroje byla taková ochrana vytvořena na staré elektromechanické, reléové a polovodičové základně. V současnosti pro ně ve většině schémat nemá smysl používat digitální technologie. Výjimkou je jídlo:

• nízkopříkonové řídicí obvody pro složité domácí spotřebiče;
• slaboproudé vysoce přesné regulační přístroje, používané např. v měřicí technice nebo metrologickým účelům (digitální elektroměry, voltmetry).

Nevýhody spínaných zdrojů

HF rušení

Vzhledem k tomu, že spínané zdroje fungují na principu převodu vysokofrekvenčních impulsů, v jakémkoli provedení produkují rušení, které se přenáší do okolí. Vzniká tak potřeba je různými způsoby potlačovat.

V některých případech může být potlačení šumu neúčinné, což vylučuje použití spínaných zdrojů pro určité typy přesných digitálních zařízení.

Omezení napájení

Spínané zdroje jsou kontraindikovány pro provoz nejen při vysokém, ale i nízkém zatížení. Pokud dojde k prudkému poklesu proudu ve výstupním obvodu nad minimální kritickou hodnotu, může dojít k selhání spouštěcího obvodu nebo jednotka začne produkovat napětí se zkreslenými technickými charakteristikami, které nezapadají do provozního rozsahu.

• Jednofázový asynchronní motor: jak to funguje a funguje
• Jak funguje a funguje plazmový svařovací stroj
• Jak fungují dálkově ovládané lustry

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrické spotřebiče a přístroje

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli:

Všechna elektronická zařízení mají pulzní transformátory. Jedná se o velká vinutí, obvykle instalovaná v napájecích obvodech a převodnících napětí nebo proudu. V tomto případě zůstává tvar proudu a napětí na výstupu stejný jako na vstupu. Tato vlastnost umožňuje minimalizovat ztráty v obvodech a obvodech pracujících na vysokých frekvencích.

Zařízení

Existuje několik typů konstrukcí pulzních transformátorů. Použití konkrétního z nich je určeno požadavky na napětí a převáděné signály. Pro změnu amplitudy napětí před a po převodu se používá jádro ve tvaru E, protože v něm vznikají dva symetrické magnetické toky, které vycházejí a sbíhají se skrz centrální část. Výkon, proud a účinnost závisí na kvalitě transformátoru a ploše průřezu jádra.

Pulzní transformátory se vyrábějí na dvou typech magnetického obvodu:

• Ferit – pro střední a vysoké frekvence v rozsahu od 2 do 500 kHz, v závislosti na druhu materiálu.
• Speciální feritická ocel – do 2 kHz.

Běžná elektrotechnická ocel se nepoužívá, protože v jádře vznikají velké vířivé proudy, které výrazně snižují převáděné signály, napětí a proudy.

Cívka v pulzních transformátorech s jádrem ve tvaru písmene Š může být umístěna na střední a bočních policích jádra. Cívka je navinuta na plastovém rámu vyrobeném ze speciálního žáruvzdorného polymeru nebo uhlíkových vláken. Primární a sekundární vinutí jsou nutně oddělena stíněním, které je tvořeno tenkou měděnou fólií v 1-2 vrstvách s vývodem pro připojení k uzemňovacímu vodiči.

druhy

Pulzní transformátory se dodávají v různých typech v závislosti na materiálu jádra a jeho tvaru:

• Ve tvaru písmene Š nebo pancéřovaný, nejběžnější v napájecích obvodech pulzních napájecích zdrojů a vysokofrekvenčních interferenčních filtrů;
• Kroužkové nebo toroidní – mají tvar prstence a častěji se používají jako vyhlazovací tlumivka kvůli složitosti navíjení;
• Kruhové pancéřování – skládá se ze dvou misek s otvorem uvnitř. Cívky jsou ze všech stran zcela pokryty jádrem a jsou navinuty na prstencovém rámu;
• Ve tvaru písmene U nebo tyče se skládá ze dvou částí ve tvaru písmene „U“, slepených a stažených kovovým proužkem nebo jhem.

Jak funguje pulzní transformátor?

Princip činnosti pulzního transformátoru je založen na koeficientu přenosu energie z primárního vinutí do sekundárních vinutí prostřednictvím magnetických toků vytvářených v magnetickém obvodu. Když je na primární cívku přivedeno pulzní napětí, generuje se v ní proud, který vytváří kolem cívky magnetické indukční čáry, sestupující ze středu a uzavírající se kolem vinutí. V jádře se působením elektromagnetické indukce generuje magnetický tok, který prochází sekundárními cívkami. Indukuje v nich elektromotorické napětí a při uzavření obvodu i zátěž a proud. Síla pulzního proudu závisí na jeho hodnotě na vstupu a těsnosti částí jádra. Čím menší je mezera mezi nimi, tím vyšší je výkon generovaný v sekundárním vinutí a tím nižší jsou ztráty.

přihláška

Pulzní transformátory se používají všude. Instalují se do jakéhokoli moderního i starého zařízení v pulzních napájecích zdrojích, obvodech pro převod energie a filtrech. V domácích spotřebičích pracují na frekvencích nepřesahujících 100-120 kHz. Ve starších měřicích přístrojích se používaly transformátory vyrobené ze speciálních typů feritu, které mohly pracovat na frekvenci 1 MHz. Tento vinutý produkt zůstává nejlepším způsobem, jak převádět napětí a proudy na vyšší nebo nižší hodnotu bez významných ztrát v důsledku ohřevu součástek, jako je tomu u polovodičových součástek. Pro výrobu moderních pulzních transformátorů se používá ferit s vysokou magnetickou permeabilitou, který je schopen vytvářet magnetické toky velké síly. V napájecích zdrojích se často používá vstupní napětí 90-500 V pro dosažení různých hodnot výstupu od 1,5 V a vyšších.