Rozdiel medzi lineárnym napájaním a spínaným napájaním
Podľa princípu konverzie možno zdroje rozdeliť na lineárne napájacie zdroje a spínané zdroje. Keď klasifikujeme lineárne napájacie zdroje a spínané zdroje, v skutočnosti si musíme ujasniť, či ide o AC/DC alebo DC/DC. Aj keď je táto klasifikácia zameraná na rozlíšenie princípov transformácie. Ale sú lineárne napájacie zdroje a spínané napájacie zdroje, ktoré dosahujú funkcie AC/DC, kompletný proces premeny AC na DC a niektoré obvody sú zložené z DC/DC.
Lineárny zdroj a spínaný zdroj pre AC/DC
Existuje mnoho učebníc, kníh a článkov, ktoré priamo odkazujú na lineárne zdroje energie ako „lineárne zdroje energie pre AC/DC“. Čo je to lineárny zdroj energie? Lineárne napájanie najprv znižuje amplitúdu napätia striedavého prúdu cez transformátor, potom ho usmerňuje cez obvod usmerňovača, aby získal impulzný jednosmerný prúd, a potom ho filtruje, aby získal jednosmerné napätie s malým zvlneným napätím.
Charakteristiky AC/DC lineárneho napájacieho zdroja a spínaného napájacieho zdroja sa líšia nasledovne:
Lineárne napájanie AC/DC sa najprv zníži o striedavé napätie pomocou frekvenčného transformátora a potom sa usmerní. Po znížení napätia cez transformátor sa napätie stalo relatívne nízkym a na stabilizáciu napätia možno použiť výkonové čipy, ako je trojsvorkový regulátor napätia. Nastavovacia trubica lineárneho napájacieho zdroja pracuje v zosilnenom stave, čo vedie k vysokej tvorbe tepla a nízkej účinnosti (v súvislosti s poklesom napätia), čo si vyžaduje pridanie objemného chladiča. Objem transformátorov výkonovej frekvencie je tiež relatívne veľký a pri výrobe viacerých sád napäťových výstupov bude objem transformátora väčší.
Nastavovacia trubica spínaného napájacieho zdroja AC/DC pracuje v stave nasýtenia a vypnutia, čo vedie k nízkej tvorbe tepla a vysokej účinnosti. Spínaný zdroj AC/DC eliminuje potrebu objemných frekvenčných transformátorov. Jednosmerný výstup spínaného zdroja AC/DC však bude mať väčšie vlnenie, čo možno zlepšiť pripojením diódy regulátora napätia na výstupný koniec. Okrem toho, kvôli vysokému špičkovému pulznému rušeniu generovanému počas prevádzky spínacej trubice, je potrebné magnetické guľôčky zapojiť do série v obvode, aby sa zlepšilo. Relatívne povedané, zvlnenie lineárneho napájacieho zdroja môže byť veľmi malé. Spínané napájacie zdroje je možné dosiahnuť prostredníctvom rôznych topologických štruktúr, ako je zníženie napätia, zosilnenie a zosilnenie, zatiaľ čo lineárne napájacie zdroje môžu dosiahnuť iba zníženie napätia.
Mnoho skorých napájacích adaptérov bolo relatívne ťažkých a ich princípom konverzie bol AC/DC lineárny zdroj, ktorý interne využíval frekvenčný transformátor. Lineárny zdroj AC/DC najprv používa transformátor na zníženie striedavého napätia. Tento typ transformátora, ktorý priamo znižuje napätie v sieti, sa nazýva transformátor výkonovej frekvencie, ako je znázornené na obrázku 1.9. Transformátory výkonovej frekvencie, tiež známe ako nízkofrekvenčné transformátory, ich odlišujú od vysokofrekvenčných transformátorov používaných v spínaných zdrojoch napájania. Transformátory výkonovej frekvencie boli v minulosti široko používané v tradičných zdrojoch energie. Štandardná frekvencia sieťového napájania v energetickom priemysle, známa aj ako sieťové napájanie ("sieťové napájanie" označuje napájanie, ktoré používajú najmä obyvatelia miest), je 50 Hz v Číne a 60 Hz v iných krajinách. Transformátor, ktorý môže meniť napätie striedavého prúdu pri tejto frekvencii, sa nazýva transformátor výkonovej frekvencie. Transformátory výkonovej frekvencie sú vo všeobecnosti väčšie v porovnaní s vysokofrekvenčnými transformátormi. Takže objem AC/DC lineárneho napájacieho zdroja realizovaného pomocou výkonových frekvenčných transformátorov je relatívne veľký.
Spínaný zdroj AC/DC vyžaduje najprv usmernenie a filtrovanie zdroja striedavého prúdu, aby sa vytvorilo približné jednosmerné vysoké napätie, a potom ovládanie prepínača na generovanie vysokofrekvenčných impulzov, ktoré sa transformujú cez transformátor. AC/DC spínaný zdroj má vyššiu účinnosť a menšiu veľkosť. Jedným z dôležitých dôvodov jeho malej veľkosti je, že vysokofrekvenčné transformátory sú oveľa menšie ako výkonové frekvenčné transformátory. Prečo čím vyššia frekvencia, tým menší objem transformátora?
Materiály jadra transformátora majú limity saturácie, takže existujú limity pre maximálnu intenzitu magnetického poľa. Prúd, intenzita magnetického poľa a magnetický tok striedavého prúdu sú všetky sínusové signály. Vieme, že pre sínusové signály s rovnakou amplitúdou platí, že čím vyššia je frekvencia, tým väčší je vrchol "rýchlosti zmeny" signálu (v okamihu, keď sínusový signál prekročí nulu, je vrchol "rýchlosti zmeny", zatiaľ čo rýchlosť zmena na vrchole signálu je 0). Medzitým je indukované napätie určené rýchlosťou zmeny magnetického toku. Takže pri rovnakom napätí na otáčku, čím vyššia je frekvencia, tým menší je požadovaný špičkový magnetický tok. Ale ako bolo uvedené vyššie, maximálna hodnota intenzity magnetického poľa je obmedzená. Preto, ak sa zníži požiadavka na magnetický tok, môže sa zmenšiť plocha prierezu železného jadra. Vyššie uvedená analýza predpokladá rovnaké napätie na otáčku. A napätie na otáčku súvisí s výkonom. Preto za predpokladu rovnakej sily. Ak je výkon menší, prúd je tiež menší a povolený drôt je tenší a odpor je o niečo vyšší, je dovolené zvýšiť počet závitov. Týmto spôsobom sa tiež zníži napätie na otáčku, čo môže tiež znížiť požiadavku na magnetický tok. Potom znížte hlasitosť. Vyššie uvedená analýza tiež predpokladá, že materiál je konštantný, to znamená, že intenzita saturačného magnetického poľa je konštantná. Samozrejme, ak sa použijú materiály s vyššou intenzitou saturačného magnetického poľa, objem sa dá tiež znížiť. Vieme, že v porovnaní s transformátormi rovnakej veľkosti pred desiatkami rokov majú dnes transformátory oveľa menšie objemy, pretože teraz používajú nové materiály železného jadra.
Podľa Maxwellovej rovnice je indukovaná elektromotorická sila E v cievke transformátora
To znamená integrál rýchlosti zmeny hustoty magnetického toku B v priebehu času na N závitoch drôtu s plochou Ac.
Pre transformátory možno indukovanú elektromotorickú silu E na primárnej strane transformátora a napätie U aplikované na vstupnej strane považovať za lineárny vzťah. Za predpokladu, že amplitúda U na vstupnej strane transformátora zostáva nezmenená, možno uvažovať, že amplitúda E zostáva tiež nezmenená.
Okrem toho existuje horný limit pre hustotu magnetického toku B každého typu magnetického jadra. Ferit používaný pre vysokofrekvenčné aplikácie je okolo niekoľkých desatín Tesla, zatiaľ čo železné jadro používané pre aplikácie s napájacou frekvenciou je okolo úrovne mierne vyššej ako jedna, s malým rozdielom.
Preto, keď sa frekvencia zvyšuje, rýchlosť zmeny hustoty magnetického toku dB/dt počas každého cyklu sa výrazne zvyšuje, za predpokladu, že vrcholová zmena hustoty magnetického toku B nie je významná. Preto je možné použiť menšie Ac alebo N na dosiahnutie rovnakej indukovanej elektromotorickej sily E. Zníženie Ac znamená zmenšenie plochy prierezu magnetického jadra; Zníženie N znamená, že sa môže zmenšiť plocha prázdneho okna magnetického jadra, čo môže pomôcť dosiahnuť menší objem magnetického jadra. Plocha prierezu vysokofrekvenčného transformátora je menšia a počet závitov v cievke sa znižuje, čo vedie k menšiemu objemu.
Nastavovacia trubica spínaného zdroja pracuje v stave saturácie a vypnutia, čo má za následok nízku tvorbu tepla a vysokú účinnosť. Spínané zdroje AC/DC nevyžadujú použitie veľkých transformátorov výkonovej frekvencie. Jednosmerný výstup spínaného zdroja však bude mať na sebe veľké zvlnenie. Okrem toho kvôli veľkému špičkovému pulznému rušeniu vznikajúcemu počas činnosti spínacieho tranzistora je potrebné aj filtrovať napájanie v obvode, aby sa zlepšila kvalita napájacieho zdroja. Relatívne povedané, lineárne zdroje energie nemajú vyššie uvedené chyby a ich zvlnenie môže byť veľmi malé.
