Che cos'è un alimentatore switching e in che cosa differisce da un analogo convenzionale

In molti apparecchi elettrici, il principio di implementazione dell'alimentazione secondaria è stato a lungo applicato attraverso l'uso di dispositivi aggiuntivi, ai quali è affidata la funzione di fornire elettricità ai circuiti che necessitano di energia da determinati tipi di tensione, frequenza, corrente ...

Per questo, vengono creati elementi aggiuntivi: alimentatoritrasformando la tensione di un tipo in un altro. Possono essere:

• integrato nel caso del consumatore, come su molti dispositivi a microprocessore;

• o realizzato da moduli separati con fili di collegamento, simile a un caricabatterie convenzionale su un telefono cellulare.

Nella moderna ingegneria elettrica, due principi di conversione dell'energia per i consumatori elettrici, basati su:

1. l'uso di trasformatori analogici per trasmettere energia al circuito secondario;

2. alimentatori a commutazione.

Hanno differenze fondamentali nel loro design, lavorano su diverse tecnologie.

Alimentatori per trasformatori

Inizialmente, sono stati creati solo tali disegni. Cambiano la struttura della tensione a causa del funzionamento di un trasformatore di potenza alimentato da una rete domestica a 220 volt, in cui l'ampiezza dell'armonica sinusoidale diminuisce, quindi inviata a un dispositivo raddrizzatore costituito da diodi di potenza, che di solito sono collegati secondo il circuito del ponte.

Successivamente, la tensione di ondulazione viene livellata in parallelo da una capacità selezionata in base al valore della potenza ammissibile e stabilizzata da un circuito a semiconduttore con transistor di potenza.

Modificando la posizione dei resistori di sintonia nel circuito di stabilizzazione, è possibile regolare la tensione ai terminali di uscita.

Alimentatori a commutazione (UPS)

Tali sviluppi del design sono apparsi in gran numero diversi decenni fa e hanno iniziato a godere di una crescente popolarità nei dispositivi elettrici a causa di:

• la disponibilità a completare una base elementale comune;

• affidabilità nell'esecuzione;

• le possibilità di ampliare il campo di lavoro delle tensioni di uscita.

Quasi tutte le fonti di alimentazione a commutazione differiscono leggermente nel design e funzionano secondo uno schema tipico di altri dispositivi.

Le parti principali degli alimentatori includono:

• un raddrizzatore di rete assemblato da: induttanze di ingresso, un filtro elettromeccanico che fornisce il distacco da interferenze e isolamento della statica con condensatori, un fusibile di rete e un ponte a diodi;

• capacità di filtraggio cumulativa;

• transistor di potenza chiave;

• oscillatore principale;

• circuito di retroazione realizzato su transistor;

• accoppiatore ottico;

• alimentazione di commutazione, dall'avvolgimento secondario di cui viene emessa una tensione per la conversione in un circuito di potenza;

• diodi raddrizzatori del circuito di uscita;

• tensione di uscita del circuito di controllo, ad esempio 12 volt con messa a punto eseguita su un fotoaccoppiatore e transistor;

• condensatori di filtro;

• induttanze di potenza, svolgendo il ruolo di correzione della tensione e la sua diagnostica nella rete;

• connettori di uscita.

Un esempio di una scheda elettronica di un simile alimentatore di commutazione con una breve designazione della base dell'elemento è mostrato nella figura.

Come funziona un alimentatore switching

L'alimentazione di commutazione produce una tensione di alimentazione stabilizzata attraverso l'uso dei principi di interazione degli elementi del circuito dell'inverter.

La tensione di rete di 220 volt viene fornita attraverso i fili collegati al raddrizzatore. La sua ampiezza è levigata da un filtro capacitivo dovuto all'uso di condensatori che resistono a picchi dell'ordine di 300 volt ed è separata da un filtro interferenziale.

input ponte a diodi rettifica i sinusoidi che lo attraversano, che vengono poi trasformati da un circuito a transistor in impulsi ad alta frequenza e rettangolari con un certo ciclo di lavoro. Possono essere convertiti:

1. con separazione galvanica della rete di alimentazione dai circuiti di uscita;

2. senza eseguire tale denuncia.

Alimentatore a commutazione isolato

In questo caso, i segnali ad alta frequenza vengono inviati a un trasformatore di impulsi, eseguendo l'isolamento galvanico dei circuiti. A causa della maggiore frequenza, l'efficienza dell'uso di un trasformatore aumenta, le dimensioni del suo circuito magnetico e il peso sono ridotti. Molto spesso, i ferromagneti vengono utilizzati per il materiale di un tale nucleo e l'acciaio elettrico non viene praticamente utilizzato in questi dispositivi. Aiuta anche a ridurre al minimo il design generale.

Una delle versioni del circuito di alimentazione di commutazione con isolamento del trasformatore dei circuiti è mostrata in figura.

In tali dispositivi, ci sono tre catene interconnesse:

1. controller PWM;

2. una cascata di tasti di accensione;

3. trasformatore di impulsi.

Come funziona un controller PWM?

Un controller è un dispositivo che controlla un processo. Nell'unità di alimentazione in esame, è il processo di conversione della modulazione della larghezza di impulso. Si basa sul principio di generare impulsi della stessa frequenza, ma con tempi di commutazione diversi.

La fornitura di quantità di moto corrisponde alla designazione di un'unità logica e l'assenza corrisponde a zero. Inoltre, sono tutti uguali in grandezza e frequenza (hanno lo stesso periodo di oscillazione T). La durata dello stato acceso dell'unità e la sua relazione con il periodo cambiano e consentono di controllare il funzionamento dei circuiti elettronici.

I tipici cambiamenti nelle sequenze SHIP sono mostrati nel grafico.

I controller di solito creano tali impulsi con una frequenza di 30 ÷ 60 kHz.

Un esempio è un controller realizzato su un chip TL494. Per regolare la frequenza di generazione dei suoi impulsi, viene utilizzato un circuito costituito da resistori con condensatori.

Lavora in cascata di tasti di accensione

È costituito da potenti transistor che sono selezionati tra modelli bipolari, di campo o IGBT. Un sistema di controllo individuale può essere creato per loro su altri transistor a bassa potenza o driver integrati.

I tasti di accensione possono essere attivati ​​in vari modi:

• ponte;

• mezzo ponte;

• con un punto medio.

Trasformatore di impulsi

Gli avvolgimenti primario e secondario montati attorno a un nucleo magnetico fatto di ferrite o alsifer possono trasmettere in modo affidabile impulsi ad alta frequenza con frequenze fino a 100 kHz.

Il loro lavoro è completato da catene di filtri, stabilizzatori, diodi e altri componenti.

Commutazione degli alimentatori senza isolamento galvanico

Negli alimentatori a commutazione progettati secondo algoritmi che escludono l'isolamento galvanico, non viene utilizzato un trasformatore di isolamento ad alta frequenza e il segnale passa direttamente al filtro passa-basso. Un simile principio di funzionamento del circuito è mostrato di seguito.

Caratteristiche di stabilizzazione della tensione di uscita

Tutti gli alimentatori a commutazione incorporano elementi che forniscono feedback negativo con i parametri di uscita. Per questo motivo, hanno una buona stabilizzazione della tensione di uscita in caso di variazioni dei carichi e delle fluttuazioni nella rete di alimentazione.

I metodi per l'implementazione del feedback dipendono dallo schema utilizzato per il funzionamento dell'alimentatore. Può essere eseguito in unità funzionanti con isolamento galvanico grazie a:

1. effetto intermedio della tensione di uscita su uno degli avvolgimenti di un trasformatore di impulsi ad alta frequenza;

2. L'uso di un fotoaccoppiatore.

In entrambi i casi, questi segnali controllano il ciclo di lavoro degli impulsi forniti all'uscita del controller PWM.

Quando si utilizza un circuito senza isolamento galvanico, il feedback viene generalmente creato collegando un partitore di tensione resistivo.

Vantaggi della commutazione degli alimentatori rispetto all'analogo convenzionale

Quando si confrontano i progetti di blocchi con indicatori di prestazioni uguali, gli alimentatori a commutazione presentano i seguenti vantaggi:

1. peso ridotto;

2. maggiore efficienza;

3. costo inferiore;

4. gamma estesa di tensioni di alimentazione;

5. la presenza di protezioni integrate.

1. Il peso e le dimensioni ridotte degli alimentatori a commutazione sono spiegati dalla transizione dalle conversioni di energia a bassa frequenza da trasformatori di potenza potenti e pesanti con sistemi di controllo situati su grandi radiatori di raffreddamento e funzionanti in modo lineare costante per la conversione di impulsi e le tecnologie di regolazione.

Aumentando la frequenza del segnale elaborato, la capacità dei filtri di tensione e, di conseguenza, le loro dimensioni vengono ridotte. Il loro schema di raddrizzamento è anche semplificato fino alla transizione verso la semionda più semplice.

2. Per i trasformatori a bassa frequenza, viene creata una percentuale significativa di perdita di energia dovuta al rilascio e alla dissipazione del calore durante l'esecuzione di trasformazioni elettromagnetiche.

Nei blocchi di impulsi, si generano le maggiori perdite di energia durante i transitori durante la commutazione delle cascate dell'interruttore di alimentazione. E per il resto del tempo, i transistor sono in una posizione stabile: aperta o chiusa. Con questa condizione, tutte le condizioni sono create per la minima perdita di elettricità, quando l'efficienza può essere 90 ÷ 98%.

3. Il prezzo degli alimentatori a commutazione sta gradualmente diminuendo a causa della costante unificazione della base degli elementi, che viene effettuata da una vasta gamma di imprese completamente meccanizzate con macchine robotizzate. Inoltre, la modalità operativa degli elementi di potenza basata su tasti controllati consente l'uso di componenti a semiconduttore meno potenti.

4. La tecnologia a impulsi consente di alimentare unità di alimentazione da fonti di tensione con frequenze e ampiezze diverse. Questo amplia l'ambito della loro applicazione in condizioni operative con vari standard di energia elettrica.

5. Grazie all'utilizzo di moduli semiconduttori a tecnologia digitale di piccole dimensioni, è possibile integrare in modo affidabile protezioni nella progettazione di blocchi di impulsi, che controllano il verificarsi di correnti di cortocircuito, disconnettono carichi all'uscita del dispositivo e altre modalità di emergenza.

Per gli alimentatori convenzionali del trasformatore, tali protezioni sono state create sulla vecchia base elettromeccanica, relè, semiconduttore. Applicare loro la tecnologia digitale nella maggior parte degli schemi ora non ha senso. L'eccezione sono i casi alimentari:

• circuiti di controllo a bassa potenza di elettrodomestici complessi;

• dispositivi di controllo a bassa precisione di elevata precisione, ad esempio utilizzati in strumenti di misurazione o scopi metrologici (contatori elettrici digitali, voltmetri).

Svantaggi degli alimentatori a commutazione

Interferenza V / h

Poiché gli alimentatori a commutazione funzionano secondo il principio di conversione degli impulsi ad alta frequenza, in qualsiasi progetto producono interferenze trasmesse all'ambiente. Questo crea la necessità di sopprimerli in vari modi.

In alcuni casi, la cancellazione del rumore può essere inefficiente, il che elimina l'uso di alimentatori a commutazione per alcuni tipi di apparecchiature digitali di precisione.

Limiti di potenza

Gli alimentatori a commutazione hanno una controindicazione per funzionare non solo a carichi elevati, ma anche a bassi carichi. Se si verifica una brusca diminuzione della corrente al di fuori del valore critico minimo nel circuito di uscita, il circuito di avvio potrebbe non funzionare o l'unità emetterà una tensione con caratteristiche tecniche distorte che non rientrano nel campo operativo.

E in questo articolo, leggi riparazione di alimentatori a commutazione.