Перемикання джерела живлення Як тестувати та використовувати в додатках
Два основних типи джерел живлення, лінійний і комутаційний режим (SMPS), працюють за абсолютно різними принципами і мають відмінні характеристики. Проектні роботи та технічне обслуговування кожного з них вимагають абсолютно різного мислення.
SMPS зараз широко використовується через більшу ефективність, меншу вартість та кращі вагові та теплові якості. Є деякі недоліки, які, однак, можна пом'якшити шляхом ретельного планування на стадії проектування.
По-перше, в перспективі ми переглянемо старе лінійне джерело живлення. Це була звична частина аналогових ЕЛТ-телевізорів, що сприяло значній вазі через важкий силовий трансформатор. Однак це було плюсом, оскільки кілька вторинних кранів надавали будь-яку кількість напруг, необхідну для зміщення, ниток розжарювання, відхилення трубки зображення тощо.
У лінійних джерелах живлення активні пристрої працюють у лінійній частині своїх кривих відгуку. Це на відміну від SMPS, де спочатку вхідна потужність перетворюється у квадратні хвилі з різним робочим циклом. Активні компоненти працюють в нелінійних режимах. Коли компоненти працюють у лінійних частинах своїх кривих відгуку, вони ефективно діють як змінні резистори, що розсіюють потужність (через I 2 R). Ось чому значна кількість вхідної потужності розсіюється у вигляді тепла, і така ситуація спостерігається в лінійному джерелі живлення.
Лінійне джерело живлення складається з ряду етапів. Лінія змінного струму, яка часто починається із штекера для підключення однофазної однофазної електромережі на 120 В, проходить через гвинтовий отвір у шафі, де в точці входу завжди є запобіжник і вимикач з додатковим індикатором живлення. Він живить первинний силовий трансформатор, який може мати будь-яку кількість вторинних обмоток. Окрім можливості подавати ряд напруг, цей тип трансформатора не має електричного зв'язку між первинною та вторинною обмотками, тому він відомий як ізолюючий трансформатор. (Заземлення не проходить через трансформатор, якщо це не автотрансформатор, де первинна та вторинна є єдиною обмоткою, що відбивається в різних точках.)
У лінійному блоці живлення добре, що за потоком потужності легко стежити. Він надходить до випрямляча, що складається з одного або декількох діодів, до електролітичних фільтруючих конденсаторів, паралельно підключених для видалення пульсацій змінного струму, а іноді і до більш дорогих послідовно з'єднаних індукторів для подальшого очищення постійного струму. Потім йде лінійний регулятор і кінцевий вихід постійного струму. Це все легко спроектувати та діагностувати. Найпоширенішими проблемами є електролітичні конденсатори, які можна візуально перевірити та перевірити за допомогою мультиметра.
Як вже згадувалося раніше, напівпровідники в лінійному живленні можуть ефективно утворювати великий опір, що розсіює тепло, а лінійні джерела включають об'ємні компоненти (наприклад, трансформатор), які роблять запас фізично великим. Для дрібних побутових приладів тепло може не бути проблемою, але можуть бути більші розміри та вага компонентів. Стільникові телефони та ноутбуки, як ми їх знаємо, були б неможливі з лінійними джерелами живлення.
На відміну від цього, SMPS має транзистор, який працює як цифровий комутатор. Вимикач або вимкнений, практично не проводячи струму, або повністю включений, з невеликим опором. Тільки тепло, яке генерується і повинно розсіюватися, - це під час переходів увімкнення/вимкнення. Надзвичайно швидкі часи підйому та падіння квадратної хвилі роблять ці переходи зникаючими короткими. Цей фактор пояснює велику ефективність СМПС. Крім того, як ми побачимо, ізолюючий трансформатор працює на частоті комутації, тому він може бути меншим порівняно з 60-Гц лінійним трансформатором, який є важливою частиною лінійного джерела живлення.
Невеликі розміри компонентів, більша ефективність та менша вартість призвели до широкого використання SMPS майже у всьому електронному обладнанні. Останні інновації дозволили використовувати їх у потужних додатках. Але впровадження SMPS не було повністю позбавленим проблем. Одним з них є генерування електронних шумів, які, якщо їх не пом'якшити, можуть з'являтися як на вході, так і на виході СМПС. Крім того, електронний шум, що утворюється в процесі комутації, може поширюватися як випромінювання від пристрою. Це пояснюється тим, що квадратна хвиля із своїм майже миттєвим часом підйому та падіння нагадує високочастотне джерело енергії, багате на руйнуючі гармоніки.
При включенні SMPS демонструє пусковий струм, який може впливати на сусіднє чутливе обладнання через систему розподілу електроенергії. Ще однією потенційною проблемою, спричиненою гармоніками, є нагрівання нульового провідника в електромережі. Рішення полягає в збільшенні розміру цього дроту. Взагалі кажучи, навіть там, де потрібні уточнення, загальні переваги SMPS є значними незалежно від масштабування.