Rozdíl mezi lineárním napájením a spínaným zdrojem
Podle principu konverze lze zdroje rozdělit na lineární zdroje a spínané zdroje. Když klasifikujeme lineární napájecí zdroje a spínané zdroje, musíme si vlastně ujasnit, zda jde o AC/DC nebo DC/DC. I když je tato klasifikace zaměřena na rozlišení principů transformace. Ale jsou lineární napájecí zdroje a spínané zdroje, které dosahují funkcí AC/DC kompletním procesem přeměny AC na DC a některé obvody jsou složeny z DC/DC.
Lineární napájecí zdroj a spínaný zdroj pro AC/DC
Existuje mnoho učebnic, knih a článků, které přímo odkazují na lineární zdroje energie jako „lineární zdroje energie pro AC/DC“. Co je to lineární zdroj energie? Lineární napájecí zdroj nejprve snižuje amplitudu napětí střídavého proudu přes transformátor, pak jej usměrňuje přes usměrňovací obvod, aby získal pulzní stejnosměrný výkon, a poté jej filtruje, aby získal stejnosměrné napětí s malým zvlněním napětí.
Charakteristiky AC/DC lineárního napájecího zdroje a spínaného napájecího zdroje se liší následovně:
Lineární napájení AC/DC je nejprve pomocí frekvenčního transformátoru redukováno střídavým napětím a poté usměrněno. Po snížení napětí pomocí transformátoru se napětí relativně snížilo a pro stabilizaci napětí lze použít výkonové čipy, jako je třísvorkový regulátor napětí. Nastavovací trubice lineárního napájecího zdroje pracuje v zesíleném stavu, což má za následek vysokou produkci tepla a nízkou účinnost (související s poklesem napětí), což vyžaduje přidání objemného chladiče. Objem výkonových frekvenčních transformátorů je také relativně velký a při výrobě více sad napěťových výstupů bude objem transformátoru větší.
Nastavovací trubice spínaného zdroje AC/DC pracuje ve stavu nasycení a odpojení, což má za následek nízkou tvorbu tepla a vysokou účinnost. Spínaný zdroj AC/DC eliminuje potřebu objemných transformátorů napájecí frekvence. DC výstup AC/DC spínaného zdroje však bude mít větší zvlnění, což lze zlepšit připojením diody regulátoru napětí na výstupní konec. Kromě toho, kvůli vysokému špičkovému pulznímu rušení generovanému během provozu spínací trubice, musí být magnetické kuličky zapojeny do série v obvodu, aby se zlepšilo. Relativně řečeno, zvlnění lineárního napájecího zdroje může být velmi malé. Spínané napájecí zdroje lze dosáhnout pomocí různých topologických struktur, jako je snížení napětí, zesílení a zesílení, zatímco lineární napájecí zdroje mohou dosáhnout pouze snížení napětí.
Mnoho raných napájecích adaptérů bylo relativně těžkých a jejich konverzním principem byl AC/DC lineární napájecí zdroj, který interně využíval napájecí frekvenční transformátor. AC/DC lineární napájecí zdroj nejprve používá transformátor ke snížení střídavého napětí. Tento typ transformátoru, který přímo snižuje napětí v síti, se nazývá transformátor výkonové frekvence, jak je znázorněno na obrázku 1.9. Transformátory výkonové frekvence, známé také jako nízkofrekvenční transformátory, je odlišují od vysokofrekvenčních transformátorů používaných ve spínaných zdrojích. Frekvenční transformátory byly v minulosti široce používány v tradičních zdrojích energie. Standardní frekvence síťového napájení v energetickém průmyslu, známá také jako síťové napájení ("síťové napájení" označuje napájecí zdroj používaný hlavně obyvateli měst), je 50 Hz v Číně a 60 Hz v jiných zemích. Transformátor, který může měnit napětí střídavého proudu na této frekvenci, se nazývá transformátor výkonové frekvence. Transformátory výkonové frekvence jsou obecně větší ve srovnání s vysokofrekvenčními transformátory. Takže objem AC/DC lineárního napájecího zdroje realizovaného pomocí výkonových frekvenčních transformátorů je relativně velký.
Spínaný zdroj střídavého/stejnosměrného proudu vyžaduje nejprve usměrnění a filtraci zdroje střídavého proudu, aby se vytvořilo přibližné stejnosměrné vysoké napětí, a poté ovládání spínače pro generování vysokofrekvenčních pulzů, které jsou transformovány prostřednictvím transformátoru. AC/DC spínaný zdroj má vyšší účinnost a menší velikost. Jedním z důležitých důvodů jeho malé velikosti je to, že vysokofrekvenční transformátory jsou mnohem menší než transformátory výkonové frekvence. Proč čím vyšší frekvence, tím menší objem transformátoru?
Materiály jádra transformátoru mají limity nasycení, takže existují limity pro maximální intenzitu magnetického pole. Proud, síla magnetického pole a magnetický tok střídavého proudu jsou sinusové signály. Víme, že pro sinusové signály se stejnou amplitudou platí, že čím vyšší frekvence, tím větší je vrchol „rychlosti změny“ signálu (moment, kdy sinusový signál protne nulu, je vrchol „rychlosti změny“, zatímco rychlost změna na vrcholu signálu je 0). Mezitím je indukované napětí určeno rychlostí změny magnetického toku. Takže pro stejné napětí na otáčku platí, že čím vyšší je frekvence, tím menší je požadovaný špičkový magnetický tok. Ale jak bylo uvedeno výše, maximální hodnota intenzity magnetického pole je omezená. Pokud se tedy sníží požadavek na magnetický tok, může se zmenšit plocha průřezu železného jádra. Výše uvedená analýza předpokládá stejné napětí na otáčku. A napětí na otáčku souvisí s výkonem. Tedy za předpokladu stejné síly. Pokud je výkon menší, proud je také menší a povolený drát je tenčí a odpor je o něco vyšší, je povoleno zvýšit počet závitů. Tímto způsobem se také sníží napětí na otáčku, což může také snížit požadavek na magnetický tok. Poté snižte hlasitost. Výše uvedená analýza také předpokládá, že materiál je konstantní, to znamená, že intenzita saturačního magnetického pole je konstantní. Samozřejmě, pokud jsou použity materiály s vyšší intenzitou saturačního magnetického pole, lze objem také snížit. Víme, že ve srovnání s transformátory stejné velikosti před desítkami let mají dnes transformátory mnohem menší objemy, protože nyní používají nové materiály železného jádra.
Podle Maxwellovy rovnice je indukovaná elektromotorická síla E v cívce transformátoru
To znamená integrál rychlosti změny hustoty magnetického toku B v čase přes N závitů drátu o ploše Ac.
U transformátorů lze indukovanou elektromotorickou sílu E na primární straně transformátoru a napětí U přivedené na vstupní straně považovat za lineární vztah. Za předpokladu, že amplituda U na vstupní straně transformátoru zůstane nezměněna, lze mít za to, že amplituda E také zůstane nezměněna.
Kromě toho existuje horní limit pro hustotu magnetického toku B každého typu magnetického jádra. Ferit používaný pro vysokofrekvenční aplikace je kolem několika desetin Tesla, zatímco železné jádro používané pro aplikace s energetickou frekvencí je kolem úrovně mírně vyšší než jedna, s malým rozdílem.
Proto, když se frekvence zvyšuje, rychlost změny hustoty magnetického toku dB/dt během každého cyklu se významně zvyšuje, za předpokladu, že vrcholová změna hustoty magnetického toku B není významná. Proto lze použít menší Ac nebo N k dosažení stejné indukované elektromotorické síly E. Pokles Ac znamená zmenšení plochy průřezu magnetického jádra; Pokles N znamená, že může být zmenšena plocha prázdného okénka magnetického jádra, což obojí může pomoci dosáhnout menšího objemu magnetického jádra. Plocha průřezu vysokofrekvenčního transformátoru je menší a počet závitů v cívce se snižuje, což má za následek menší objem.
Nastavovací trubice spínaného zdroje pracuje ve stavu nasycení a odpojení, což má za následek nízkou tvorbu tepla a vysokou účinnost. Spínané zdroje AC/DC nevyžadují použití velkých transformátorů napájecí frekvence. Stejnosměrný výstup spínaného zdroje však bude mít velké vlnění. Navíc vzhledem k velkému špičkovému pulznímu rušení vznikajícímu při provozu spínacího tranzistoru je nutné také filtrovat napájení v obvodu pro zlepšení kvality napájení. Relativně řečeno, lineární zdroje nemají výše uvedené vady a jejich zvlnění může být velmi malé.
