Η διαφορά μεταξύ γραμμικής τροφοδοσίας και τροφοδοσίας μεταγωγής
Σύμφωνα με την αρχή της μετατροπής, τα τροφοδοτικά μπορούν να ταξινομηθούν σε γραμμικά τροφοδοτικά και τροφοδοτικά μεταγωγής. Όταν ταξινομούμε γραμμικά τροφοδοτικά και τροφοδοτικά μεταγωγής, πρέπει πραγματικά να διευκρινίσουμε εάν είναι AC/DC ή DC/DC. Αν και αυτή η ταξινόμηση στοχεύει στη διάκριση των αρχών του μετασχηματισμού. Αλλά τα γραμμικά τροφοδοτικά και τα τροφοδοτικά μεταγωγής που επιτυγχάνουν λειτουργίες AC/DC είναι μια πλήρης διαδικασία μετατροπής AC σε DC και ορισμένα από τα κυκλώματα αποτελούνται από DC/DC.
Γραμμικό τροφοδοτικό και τροφοδοτικό μεταγωγής για AC/DC
Υπάρχουν πολλά εγχειρίδια, βιβλία και άρθρα που αναφέρονται απευθείας στις γραμμικές πηγές ενέργειας ως "γραμμικές πηγές ενέργειας για AC/DC". Τι είναι μια γραμμική πηγή ενέργειας; Το γραμμικό τροφοδοτικό πρώτα μειώνει το εύρος τάσης της ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω ενός μετασχηματιστή, στη συνέχεια το διορθώνει μέσω ενός κυκλώματος ανορθωτή για να αποκτήσει παλμική ισχύ συνεχούς ρεύματος και στη συνέχεια το φιλτράρει για να αποκτήσει τάση συνεχούς ρεύματος με μικρή τάση κυματισμού.
Τα χαρακτηριστικά του γραμμικού τροφοδοτικού AC/DC και του τροφοδοτικού μεταγωγής είναι διαφορετικά ως εξής:
Η γραμμική τροφοδοσία AC/DC αρχικά μειώνεται με τάση AC χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή συχνότητας ισχύος και στη συνέχεια διορθώνεται. Μετά τη μείωση της τάσης μέσω ενός μετασχηματιστή, η τάση έχει γίνει σχετικά χαμηλή και τα τσιπ ισχύος, όπως ένας ρυθμιστής τάσης τριών ακροδεκτών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σταθεροποίηση της τάσης. Ο σωλήνας ρύθμισης του γραμμικού τροφοδοτικού λειτουργεί σε ενισχυμένη κατάσταση, με αποτέλεσμα υψηλή παραγωγή θερμότητας και χαμηλή απόδοση (που σχετίζεται με την πτώση τάσης), που απαιτεί την προσθήκη ογκώδους ψύκτρας. Ο όγκος των μετασχηματιστών συχνότητας ισχύος είναι επίσης σχετικά μεγάλος και όταν παράγονται πολλαπλά σύνολα εξόδων τάσης, ο όγκος του μετασχηματιστή θα είναι μεγαλύτερος.
Ο σωλήνας ρύθμισης του τροφοδοτικού μεταγωγής AC/DC λειτουργεί σε καταστάσεις κορεσμού και αποκοπής, με αποτέλεσμα χαμηλή παραγωγή θερμότητας και υψηλή απόδοση. Το τροφοδοτικό μεταγωγής AC/DC εξαλείφει την ανάγκη για ογκώδεις μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος. Ωστόσο, η έξοδος DC του τροφοδοτικού μεταγωγής AC/DC θα έχει μεγαλύτερους κυματισμούς, οι οποίοι μπορούν να βελτιωθούν με τη σύνδεση μιας διόδου ρυθμιστή τάσης στο άκρο εξόδου. Επιπλέον, λόγω της υψηλής αιχμής παρεμβολής παλμού που δημιουργείται κατά τη λειτουργία του σωλήνα διακόπτη, τα μαγνητικά σφαιρίδια πρέπει να συνδεθούν σε σειρά στο κύκλωμα για βελτίωση. Μιλώντας σχετικά, ο κυματισμός ενός γραμμικού τροφοδοτικού μπορεί να γίνει πολύ μικρός. Τα τροφοδοτικά μεταγωγής μπορούν να επιτευχθούν μέσω διαφορετικών τοπολογικών δομών, όπως μείωση τάσης, ενίσχυση και ενίσχυση, ενώ τα γραμμικά τροφοδοτικά μπορούν να επιτύχουν μόνο μείωση τάσης.
Πολλοί πρώιμοι μετασχηματιστές ισχύος ήταν σχετικά βαρείς και η αρχή μετατροπής τους ήταν η γραμμική παροχή ρεύματος AC/DC, η οποία χρησιμοποιούσε εσωτερικά έναν μετασχηματιστή συχνότητας ισχύος. Το γραμμικό τροφοδοτικό AC/DC χρησιμοποιεί πρώτα έναν μετασχηματιστή για να μειώσει την τάση AC. Αυτός ο τύπος μετασχηματιστή, ο οποίος μειώνει άμεσα την τάση στο δίκτυο, ονομάζεται μετασχηματιστής συχνότητας ισχύος, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.9. Οι μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος, γνωστοί και ως μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας, τους διακρίνουν από τους μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται στη μεταγωγή τροφοδοτικών. Οι μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος χρησιμοποιούνταν ευρέως σε παραδοσιακές πηγές ενέργειας στο παρελθόν. Η τυπική συχνότητα ηλεκτρικού ρεύματος στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας, γνωστή και ως ηλεκτρικό δίκτυο («ηλεκτρικό ρεύμα» αναφέρεται στην παροχή ρεύματος που χρησιμοποιείται κυρίως από τους κατοίκους των πόλεων), είναι 50 Hz στην Κίνα και 60 Hz σε άλλες χώρες. Ένας μετασχηματιστής που μπορεί να αλλάξει την τάση του εναλλασσόμενου ρεύματος σε αυτή τη συχνότητα ονομάζεται μετασχηματιστής συχνότητας ισχύος. Οι μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος είναι γενικά μεγαλύτεροι σε μέγεθος σε σύγκριση με τους μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας. Έτσι, ο όγκος της γραμμικής τροφοδοσίας AC/DC που εφαρμόζεται με μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος είναι σχετικά μεγάλος.
Το τροφοδοτικό μεταγωγής AC/DC απαιτεί πρώτα διόρθωση και φιλτράρισμα του τροφοδοτικού εναλλασσόμενου ρεύματος για να σχηματιστεί μια κατά προσέγγιση υψηλή τάση DC και, στη συνέχεια, έλεγχος του διακόπτη για τη δημιουργία παλμών υψηλής συχνότητας, οι οποίοι μετασχηματίζονται μέσω ενός μετασχηματιστή. Το τροφοδοτικό μεταγωγής AC/DC έχει υψηλότερη απόδοση και μικρότερο μέγεθος. Ένας σημαντικός λόγος για το μικρό του μέγεθος είναι ότι οι μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας είναι πολύ μικρότεροι από τους μετασχηματιστές συχνότητας ισχύος. Γιατί όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μικρότερος είναι ο όγκος του μετασχηματιστή;
Τα υλικά του πυρήνα του μετασχηματιστή έχουν όρια κορεσμού, επομένως υπάρχουν όρια στη μέγιστη ένταση του μαγνητικού πεδίου. Το ρεύμα, η ένταση του μαγνητικού πεδίου και η μαγνητική ροή του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι όλα ημιτονοειδή σήματα. Γνωρίζουμε ότι για σήματα ημιτονοειδούς του ίδιου πλάτους, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η κορυφή του «ρυθμού μεταβολής» του σήματος (η στιγμή που το σήμα ημιτόνου διασχίζει το μηδέν είναι η κορυφή του «ρυθμού μεταβολής», ενώ ο ρυθμός της αλλαγής στην κορυφή του σήματος είναι 0). Εν τω μεταξύ, η επαγόμενη τάση καθορίζεται από τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής. Έτσι, για την ίδια τάση ανά στροφή, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μικρότερη είναι η μέγιστη μαγνητική ροή που απαιτείται. Αλλά όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μέγιστη τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου είναι περιορισμένη. Επομένως, εάν η απαίτηση μαγνητικής ροής μειωθεί, η περιοχή διατομής του πυρήνα του σιδήρου μπορεί να μειωθεί. Η παραπάνω ανάλυση προϋποθέτει την ίδια τάση ανά στροφή. Και η τάση ανά στροφή σχετίζεται με την ισχύ. Επομένως, υποθέτοντας την ίδια ισχύ. Εάν η ισχύς είναι μικρότερη, το ρεύμα είναι επίσης μικρότερο και το επιτρεπόμενο σύρμα είναι λεπτότερο και η αντίσταση είναι ελαφρώς υψηλότερη, επιτρέπεται να αυξηθεί ο αριθμός των στροφών. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται επίσης η τάση ανά στροφή, γεγονός που μπορεί επίσης να μειώσει την απαίτηση μαγνητικής ροής. Στη συνέχεια μειώστε την ένταση. Επίσης, η παραπάνω ανάλυση προϋποθέτει ότι το υλικό είναι σταθερό, δηλαδή η ένταση του μαγνητικού πεδίου κορεσμού είναι σταθερή. Φυσικά, εάν χρησιμοποιούνται υλικά με μεγαλύτερη ένταση μαγνητικού πεδίου κορεσμού, ο όγκος μπορεί επίσης να μειωθεί. Γνωρίζουμε ότι σε σύγκριση με μετασχηματιστές ίδιου μεγέθους πριν από δεκαετίες, οι μετασχηματιστές σήμερα έχουν πολύ μικρότερους όγκους επειδή χρησιμοποιούν πλέον νέα υλικά πυρήνων σιδήρου.
Σύμφωνα με την εξίσωση του Maxwell, η επαγόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη Ε στο πηνίο του μετασχηματιστή είναι
Δηλαδή, το ολοκλήρωμα του ρυθμού μεταβολής της πυκνότητας μαγνητικής ροής Β με την πάροδο του χρόνου σε σύρμα Ν περιστρέφεται με εμβαδόν Ac.
Για τους μετασχηματιστές, η επαγόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη Ε στην κύρια πλευρά του μετασχηματιστή και η τάση U που εφαρμόζεται στην πλευρά εισόδου μπορούν να θεωρηθούν ως γραμμική σχέση. Με την προϋπόθεση ότι το πλάτος του U στην πλευρά εισόδου του μετασχηματιστή παραμένει αμετάβλητο, μπορεί να θεωρηθεί ότι το πλάτος του Ε παραμένει επίσης αμετάβλητο.
Επιπλέον, υπάρχει ένα ανώτερο όριο για την πυκνότητα μαγνητικής ροής Β κάθε τύπου μαγνητικού πυρήνα. Ο φερρίτης που χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλής συχνότητας είναι περίπου μερικά δέκατα του Tesla, ενώ ο πυρήνας σιδήρου που χρησιμοποιείται για εφαρμογές συχνότητας ισχύος είναι περίπου ένα επίπεδο ελαφρώς μεγαλύτερο από ένα, με μια μικρή διαφορά.
Επομένως, όταν η συχνότητα αυξάνεται, ο ρυθμός μεταβολής της πυκνότητας μαγνητικής ροής dB/dt κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου αυξάνεται σημαντικά, υπό την προϋπόθεση ότι η μέγιστη αλλαγή στην πυκνότητα μαγνητικής ροής Β δεν είναι σημαντική. Επομένως, μικρότερο Ac ή N μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη της ίδιας επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης E. Μια μείωση στο Ac σημαίνει μείωση της περιοχής διατομής του μαγνητικού πυρήνα. Μια μείωση στο Ν σημαίνει ότι η περιοχή του άδειου παραθύρου του μαγνητικού πυρήνα μπορεί να μειωθεί, και τα δύο μπορούν να βοηθήσουν στην επίτευξη μικρότερου όγκου του μαγνητικού πυρήνα. Η περιοχή διατομής ενός μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας είναι μικρότερη και ο αριθμός των στροφών στο πηνίο μειώνεται, με αποτέλεσμα μικρότερο όγκο.
Ο σωλήνας ρύθμισης του τροφοδοτικού διακόπτη λειτουργεί σε καταστάσεις κορεσμού και αποκοπής, με αποτέλεσμα χαμηλή παραγωγή θερμότητας και υψηλή απόδοση. Τα τροφοδοτικά μεταγωγής AC/DC δεν απαιτούν τη χρήση μετασχηματιστών μεγάλης συχνότητας ισχύος. Ωστόσο, η έξοδος συνεχούς ρεύματος του τροφοδοτικού μεταγωγής θα έχει μεγάλους κυματισμούς πάνω της. Επιπλέον, λόγω της μεγάλης αιχμής παρεμβολής παλμού που δημιουργείται κατά τη λειτουργία του τρανζίστορ μεταγωγής, είναι επίσης απαραίτητο να φιλτράρετε την τροφοδοσία ρεύματος στο κύκλωμα για να βελτιωθεί η ποιότητα της τροφοδοσίας. Σχετικά μιλώντας, οι γραμμικές πηγές ισχύος δεν έχουν τα παραπάνω ελαττώματα και η κυματισμός τους μπορεί να είναι πολύ μικρή.
