Razlika između linearnog napajanja i prekidačkog napajanja
Prema principu pretvorbe, napajanja se mogu klasificirati na linearna napajanja i sklopna napajanja. Kada klasificiramo linearna napajanja i prekidačka napajanja, zapravo moramo razjasniti radi li se o AC/DC ili DC/DC. Iako je ova klasifikacija usmjerena na razlikovanje principa transformacije. No jesu li linearni izvori napajanja i sklopni izvori napajanja koji postižu AC/DC funkcije potpuni proces pretvaranja AC u DC, a neki od sklopova sastavljeni su od DC/DC.
Linearno napajanje i prekidačko napajanje za AC/DC
Postoje mnogi udžbenici, knjige i članci koji izravno spominju linearne izvore energije kao "linearne izvore energije za AC/DC". Što je linearni izvor energije? Linearno napajanje prvo smanjuje amplitudu napona izmjeničnog napajanja kroz transformator, zatim ga ispravlja kroz ispravljački krug kako bi se dobilo pulsirajuće istosmjerno napajanje, a zatim ga filtrira kako bi se dobio istosmjerni napon s malim valovima napona.
Karakteristike AC/DC linearnog napajanja i prekidačkog napajanja razlikuju se kako slijedi:
Linearno napajanje AC/DC prvo se reducira izmjeničnim naponom pomoću transformatora energetske frekvencije, a zatim se ispravlja. Nakon smanjenja napona kroz transformator, napon je postao relativno nizak, a energetski čipovi kao što je regulator napona s tri priključka mogu se koristiti za stabilizaciju napona. Cijev za podešavanje linearnog napajanja radi u pojačanom stanju, što rezultira visokim stvaranjem topline i niskom učinkovitošću (povezano s padom napona), što zahtijeva dodavanje glomaznog hladnjaka. Volumen transformatora snage frekvencije je također relativno velik, a kada se proizvodi više skupova naponskih izlaza, volumen transformatora će biti veći.
Cijev za podešavanje AC/DC sklopnog napajanja radi u stanjima zasićenja i prekida, što rezultira niskim stvaranjem topline i visokom učinkovitošću. Preklopno napajanje AC/DC eliminira potrebu za glomaznim transformatorima snage. Međutim, istosmjerni izlaz AC/DC sklopnog napajanja imat će veće valove, što se može poboljšati spajanjem diode regulatora napona na izlaznom kraju. Osim toga, zbog smetnji visokog vršnog pulsa koje nastaju tijekom rada razvodne cijevi, magnetske kuglice moraju biti spojene u seriju u krugu radi poboljšanja. Relativno govoreći, valovitost linearnog napajanja može se učiniti vrlo malom. Preklopna 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 rani strujni adapteri bili su relativno teški, a njihov princip pretvorbe bio je AC/DC linearni izvor napajanja, koji je interno koristio transformator električne frekvencije. AC/DC linearno napajanje prvo koristi transformator za smanjenje izmjeničnog napona. Ovaj tip transformatora, koji izravno smanjuje napon u mreži, naziva se transformator snage frekvencije, kao što je prikazano na slici 1.9. Transformatori energetske frekvencije, također poznati kao niskofrekventni transformatori, razlikuju se od visokofrekventnih transformatora koji se koriste u sklopnim izvorima napajanja. Frekvencijski transformatori snage bili su naširoko korišteni u tradicionalnim izvorima energije u prošlosti. Standardna frekvencija mrežnog napajanja u elektroenergetskoj industriji, također poznata kao glavno napajanje ("mrežno napajanje" odnosi se na napajanje koje uglavnom koriste stanovnici gradova), je 50 Hz u Kini i 60 Hz u drugim zemljama. Transformator koji može mijenjati napon izmjenične struje na ovoj frekvenciji naziva se transformator snage. Transformatori energetske frekvencije općenito su većih dimenzija u usporedbi s transformatorima visoke frekvencije. Dakle, volumen AC/DC linearnog napajanja implementiranog s energetskim frekvencijskim transformatorima je relativno velik.
Preklopno napajanje izmjeničnom/istosmjernom strujom prvo zahtijeva ispravljanje i filtriranje napajanja izmjeničnom strujom kako bi se formirao približni istosmjerni visoki napon, a zatim upravljanje sklopkom za generiranje visokofrekventnih impulsa koji se transformiraju kroz transformator. AC/DC prekidački izvor napajanja ima veću učinkovitost i manju veličinu. Jedan od važnih razloga njegove male veličine je taj što su visokofrekventni transformatori mnogo manji od transformatora energetske frekvencije. Zašto je veća frekvencija, to je manji volumen transformatora?
Materijali jezgre transformatora imaju ograničenja zasićenja, tako da postoje ograničenja vršne jakosti magnetskog polja. Struja, jakost magnetskog polja i magnetski tok izmjenične struje su sinusoidalni signali. Znamo da za sinusne signale iste amplitude, što je veća frekvencija, to je veći vrh "stope promjene" signala (trenutak kada sinusni signal prijeđe nulu je vrh "stope promjene", dok je brzina promjene na vrhuncu signala je 0). U međuvremenu, inducirani napon određen je brzinom promjene magnetskog toka. Dakle, za isti napon po zavoju, što je veća frekvencija, manji je potreban vršni magnetski tok. Ali kao što je gore spomenuto, vršna vrijednost intenziteta magnetskog polja je ograničena. Stoga, ako se zahtjev za magnetskim tokom smanji, površina poprečnog presjeka željezne jezgre može se smanjiti. Gornja analiza pretpostavlja isti napon po zavoju. A napon po zavoju povezan je sa snagom. Prema tome, uz pretpostavku iste snage. Ako je snaga manja, manja je i struja, a dopuštena žica tanja, a otpor nešto veći, dopušteno je povećati broj zavoja. Na taj se način također smanjuje napon po zavoju, što također može smanjiti zahtjev za magnetskim tokom. Zatim smanjite glasnoću. Također, gornja analiza pretpostavlja da je materijal konstantan, odnosno da je jakost magnetskog polja zasićenja konstantna. Naravno, ako se koriste materijali s većom jakošću magnetskog polja zasićenja, volumen se također može smanjiti. Znamo da u usporedbi s transformatorima iste veličine prije desetljeća, transformatori danas imaju puno manje zapremine jer sada koriste nove materijale željezne jezgre.
Prema Maxwellovoj jednadžbi inducirana elektromotorna sila E u zavojnici transformatora je
To jest, integral brzine promjene gustoće magnetskog toka B tijekom vremena preko N zavoja žice s površinom Ac.
Za transformatore, inducirana elektromotorna sila E na primarnoj strani transformatora i napon U primijenjen na ulaznoj strani mogu se smatrati linearnim odnosom. Pod pretpostavkom da amplituda U na ulaznoj strani transformatora ostaje nepromijenjena, može se smatrati da amplituda E također ostaje nepromijenjena.
Osim toga, postoji gornja granica za gustoću magnetskog toka B svake vrste magnetske jezgre. Ferit koji se koristi za visokofrekventne aplikacije je oko nekoliko desetina Tesla, dok je željezna jezgra koja se koristi za energetske frekvencije oko razine malo veće od jedan, s malom razlikom.
Stoga, kada se frekvencija povećava, brzina promjene gustoće magnetskog toka dB/dt tijekom svakog ciklusa značajno se povećava, pod uvjetom da vršna promjena gustoće magnetskog toka B nije značajna. Stoga se manji Ac ili N mogu koristiti za postizanje iste inducirane elektromotorne sile E. Smanjenje Ac znači smanjenje površine poprečnog presjeka magnetske jezgre; Smanjenje N znači da se površina praznog prozora magnetske jezgre može smanjiti, a oboje može pomoći u postizanju manjeg volumena magnetske jezgre. Površina poprečnog presjeka visokofrekventnog transformatora je manja, a smanjuje se i broj zavoja u zavojnici, što rezultira manjim volumenom.
Cijev za podešavanje prekidačkog napajanja radi u stanjima zasićenja i prekida, što rezultira niskim stvaranjem topline i visokom učinkovitošću. Preklopni AC/DC izvori napajanja ne zahtijevaju upotrebu velikih transformatora frekvencije snage. Međutim, istosmjerni izlaz preklopnog napajanja imat će velike valove na sebi. Osim toga, zbog velike smetnje vršnog impulsa koja se stvara tijekom rada sklopnog tranzistora, također je potrebno filtrirati napajanje u krugu kako bi se poboljšala kvaliteta napajanja. Relativno govoreći, linearni izvori struje nemaju navedene nedostatke, a njihova valovitost može biti vrlo mala.
