Razlika između linearnog napajanja i prekidačkog napajanja
Prema principu konverzije, izvori napajanja se mogu podijeliti na linearne i prekidačke. Kada klasifikujemo linearna napajanja i prekidačka napajanja, zapravo treba da razjasnimo da li je to AC/DC ili DC/DC. Iako je ova klasifikacija usmjerena na razlikovanje principa transformacije. Ali da li su linearna napajanja i prekidačka napajanja koja postižu AC/DC funkcije kompletan proces pretvaranja AC u DC, a neki od kola su sastavljeni od DC/DC.
Linearno napajanje i prekidačko napajanje za AC/DC
Postoje mnogi udžbenici, knjige i članci koji se direktno odnose na linearne izvore energije kao "linearni izvori napajanja za AC/DC". Šta je linearni izvor energije? Linearno napajanje prvo smanjuje amplitudu napona izmjenične struje kroz transformator, zatim ga ispravlja kroz ispravljačko kolo kako bi se dobila impulsna istosmjerna snaga, a zatim ga filtrira kako bi se dobio istosmjerni napon sa malim talasnim naponom.
Karakteristike AC/DC linearnog napajanja i prekidačkog napajanja razlikuju se kako slijedi:
Linearno napajanje AC/DC najprije se smanjuje izmjeničnim naponom pomoću transformatora energetske frekvencije, a zatim se ispravlja. Nakon smanjenja napona kroz transformator, napon je postao relativno nizak, a za stabilizaciju napona mogu se koristiti energetski čipovi kao što je regulator napona sa tri terminala. Cijev za podešavanje linearnog napajanja radi u pojačanom stanju, što rezultira visokom proizvodnjom topline i niskom efikasnošću (povezano s padom napona), što zahtijeva dodavanje glomaznog hladnjaka. Volumen transformatora energetske frekvencije je također relativno velik, a kada se proizvodi više setova naponskih izlaza, zapremina transformatora će biti veća.
Cijev za podešavanje AC/DC prekidačkog napajanja radi u stanju zasićenja i prekida, što rezultira niskim stvaranjem topline i visokom efikasnošću. AC/DC prekidačko napajanje eliminiše potrebu za glomaznim transformatorima frekvencije snage. Međutim, DC izlaz AC/DC prekidačkog napajanja će imati veće talase, što se može poboljšati povezivanjem diode regulatora napona na izlaznom kraju. Osim toga, zbog visokih vršnih impulsnih smetnji koje se stvaraju tokom rada cijevi prekidača, magnetne perle moraju biti povezane u seriju u krug kako bi se poboljšale. Relativno govoreći, talasanje linearnog napajanja može se učiniti vrlo malim. Prekidački izvori napajanja mogu se postići kroz različite topološke strukture, kao što su smanjenje napona, pojačanje i pojačanje, dok linearna napajanja mogu postići samo smanjenje napona.
Mnogi raniji adapteri za napajanje bili su relativno teški, a njihov princip konverzije je bio linearno napajanje AC/DC, koje je interno koristilo transformator energetske frekvencije. AC/DC linearno napajanje prvo koristi transformator za smanjenje AC napona. Ovaj tip transformatora, koji direktno smanjuje napon u mreži, naziva se transformator energetske frekvencije, kao što je prikazano na slici 1.9. Transformatori energetske frekvencije, poznati i kao niskofrekventni transformatori, razlikuju ih od visokofrekventnih transformatora koji se koriste u prekidačkim izvorima napajanja. Transformatori energetske frekvencije su se u prošlosti široko koristili u tradicionalnim izvorima energije. Standardna frekvencija mrežnog napajanja u elektroenergetskoj industriji, poznata i kao napajanje iz mreže („mrežno napajanje“ se odnosi na napajanje koje uglavnom koriste stanovnici u gradovima), je 50 Hz u Kini i 60 Hz u drugim zemljama. Transformator koji može promijeniti napon naizmjenične struje na ovoj frekvenciji naziva se transformator energetske frekvencije. Transformatori energetske frekvencije općenito su veće veličine u odnosu na visokofrekventne transformatore. Dakle, zapremina AC/DC linearnog napajanja implementiranog sa transformatorima energetske frekvencije je relativno velika.
AC/DC prekidačko napajanje zahtijeva prvo ispravljanje i filtriranje AC napajanja kako bi se formirao približni DC visoki napon, a zatim kontroliranje prekidača za generiranje visokofrekventnih impulsa, koji se transformiraju kroz transformator. AC/DC prekidačko napajanje ima veću efikasnost i manju veličinu. Jedan važan razlog njegove male veličine je taj što su visokofrekventni transformatori mnogo manji od transformatora energetske frekvencije. Zašto što je veća frekvencija, to je manji volumen transformatora?
Materijali jezgra transformatora imaju granice zasićenja, tako da postoje ograničenja za vršnu snagu magnetnog polja. Struja, jačina magnetnog polja i magnetni tok naizmjenične struje su sinusoidni signali. Znamo da za sinusne signale iste amplitude, što je veća frekvencija, to je veći vrh "brzine promjene" signala (trenutak kada sinusni signal pređe nulu je vrhunac "brzine promjene", dok je brzina promjene na vrhuncu signala je 0). U međuvremenu, inducirani napon je određen brzinom promjene magnetskog fluksa. Dakle, za isti napon po okretu, što je viša frekvencija, to je manji vršni magnetni tok potreban. Ali kao što je gore spomenuto, vršna vrijednost intenziteta magnetnog polja je ograničena. Stoga, ako se smanji zahtjev za magnetnim fluksom, površina poprečnog presjeka željeznog jezgra može se smanjiti. Gornja analiza pretpostavlja isti napon po okretu. A napon po okretu je povezan sa snagom. Dakle, uz pretpostavku iste moći. Ako je snaga manja, manja je i struja, a dozvoljena žica je tanja, a otpor nešto veći, dozvoljeno je povećati broj zavoja. Na ovaj način se smanjuje i napon po okretu, što također može smanjiti zahtjev za magnetnim fluksom. Zatim smanjite jačinu zvuka. Također, gornja analiza pretpostavlja da je materijal konstantan, odnosno da je jačina magnetnog polja zasićenja konstantna. Naravno, ako se koriste materijali sa većom jačinom magnetnog polja zasićenja, volumen se također može smanjiti. Znamo da u poređenju sa transformatorima iste veličine pre nekoliko decenija, transformatori danas imaju mnogo manje zapremine jer sada koriste nove materijale gvozdenog jezgra.
Prema Maxwellovoj jednadžbi, indukovana elektromotorna sila E u zavojnici transformatora je
To jest, integral brzine promjene gustine magnetnog fluksa B tokom vremena preko N zavoja žice sa površinom Ac.
Za transformatore, inducirana elektromotorna sila E na primarnoj strani transformatora i napon U primijenjen na ulaznoj strani mogu se smatrati linearnim odnosom. Uz pretpostavku da amplituda U na ulaznoj strani transformatora ostaje nepromijenjena, može se smatrati da i amplituda E ostaje nepromijenjena.
Osim toga, postoji gornja granica za gustinu magnetnog fluksa B svakog tipa magnetnog jezgra. Ferit koji se koristi za visokofrekventne aplikacije je oko nekoliko desetina Tesle, dok je željezno jezgro koje se koristi za aplikacije na snazi oko nivoa nešto veće od jedan, s malom razlikom.
Stoga, kada se frekvencija povećava, brzina promjene gustine magnetnog fluksa dB/dt tokom svakog ciklusa značajno raste, pod uslovom da vršna promjena gustine magnetnog fluksa B nije značajna. Stoga se manji Ac ili N mogu koristiti za postizanje iste indukovane elektromotorne sile E. Smanjenje Ac znači smanjenje površine poprečnog presjeka magnetnog jezgra; Smanjenje N znači da se površina praznog prozora magnetnog jezgra može smanjiti, a oba mogu pomoći u postizanju manje zapremine magnetnog jezgra. Površina poprečnog presjeka visokofrekventnog transformatora je manja, a broj zavoja u zavojnici se smanjuje, što rezultira manjom zapreminom.
Cijev za podešavanje prekidačkog napajanja radi u stanju zasićenja i prekida, što rezultira niskim stvaranjem topline i visokom efikasnošću. AC/DC prekidačka napajanja ne zahtijevaju upotrebu velikih transformatora frekvencije snage. Međutim, DC izlaz komutacionog napajanja će imati velike talase koji se nalaze na njemu. Osim toga, zbog velikih vršnih impulsnih smetnji koje nastaju tokom rada komutacionog tranzistora, potrebno je i filtriranje napajanja u kolu kako bi se poboljšao kvalitet napajanja. Relativno govoreći, linearni izvori napajanja nemaju gore navedene nedostatke, a njihovo talasanje može biti vrlo malo.
