La diferència entre la font d'alimentació lineal i la font d'alimentació commutada
Segons el principi de conversió, les fonts d'alimentació es poden classificar en fonts d'alimentació lineals i fonts d'alimentació de commutació. Quan classifiquem les fonts d'alimentació lineals i les fonts d'alimentació de commutació, en realitat hem d'aclarir si és AC/DC o DC/DC. Encara que aquesta classificació té com a objectiu distingir els principis de transformació. Però les fonts d'alimentació lineals i les fonts d'alimentació de commutació que aconsegueixen les funcions de CA/CC són un procés complet de conversió de CA a CC, i alguns dels circuits es componen de CC/CC.
Font d'alimentació lineal i font d'alimentació commutada per AC/DC
Hi ha molts llibres de text, llibres i articles que es refereixen directament a les fonts d'alimentació lineals com a "fonts d'alimentació lineals per a CA/CC". Què és una font d'energia lineal? La font d'alimentació lineal redueix primer l'amplitud de tensió de la potència de CA a través d'un transformador, després la rectifica a través d'un circuit rectificador per obtenir una potència de corrent continu polsada i, a continuació, la filtra per obtenir una tensió de corrent continu amb una tensió de ondulació petita.
Les característiques de la font d'alimentació lineal AC/DC i de la font d'alimentació de commutació són diferents de la següent manera:
La font d'alimentació lineal de CA/CC es redueix primer per tensió CA mitjançant un transformador de freqüència d'alimentació i després es rectifica. Després de la reducció de la tensió mitjançant un transformador, la tensió s'ha tornat relativament baixa i es poden utilitzar xips de potència com un regulador de tensió de tres terminals per a l'estabilització de la tensió. El tub d'ajust de la font d'alimentació lineal funciona en un estat amplificat, donant lloc a una alta generació de calor i una baixa eficiència (relacionada amb la caiguda de tensió), que requereix l'addició d'un dissipador de calor voluminós. El volum dels transformadors de freqüència de potència també és relativament gran i, quan es produeixen diversos conjunts de sortides de tensió, el volum del transformador serà més gran.
El tub d'ajust de la font d'alimentació de commutació AC/DC funciona en estats de saturació i tall, donant lloc a una baixa generació de calor i una alta eficiència. La font d'alimentació de commutació AC/DC elimina la necessitat de transformadors de freqüència d'alimentació voluminosos. Tanmateix, la sortida de CC de la font d'alimentació de commutació CA/CC tindrà ondulacions més grans, que es poden millorar connectant un díode regulador de tensió a l'extrem de sortida. A més, a causa de l'alt pic d'interferència de pols generada durant el funcionament del tub de l'interruptor, les perles magnètiques s'han de connectar en sèrie al circuit per millorar. Relativament parlant, la ondulació d'una font d'alimentació lineal es pot fer molt petita. Les fonts d'alimentació de commutació es poden aconseguir mitjançant diferents estructures topològiques, com ara la reducció de tensió, l'augment i l'augment, mentre que les fonts d'alimentació lineals només poden aconseguir una reducció de tensió.
Molts primers adaptadors d'alimentació eren relativament pesats, i el seu principi de conversió era una font d'alimentació lineal AC/DC, que utilitzava un transformador de freqüència d'alimentació interna. La font d'alimentació lineal CA/CC fa servir primer un transformador per reduir la tensió CA. Aquest tipus de transformador, que redueix directament la tensió a la xarxa elèctrica, s'anomena transformador de freqüència de potència, tal com es mostra a la figura 1.9. Els transformadors de freqüència d'alimentació, també coneguts com a transformadors de baixa freqüència, els distingeixen dels transformadors d'alta freqüència que s'utilitzen en la commutació de fonts d'alimentació. Els transformadors de freqüència de potència eren àmpliament utilitzats en les fonts d'alimentació tradicionals en el passat. La freqüència estàndard de la xarxa elèctrica a la indústria energètica, també coneguda com a xarxa elèctrica ("l'alimentació de la xarxa" es refereix a la font d'alimentació que utilitzen principalment els residents a les ciutats), és de 50 Hz a la Xina i 60 Hz a altres països. Un transformador que pot canviar la tensió del corrent altern a aquesta freqüència s'anomena transformador de freqüència de potència. Els transformadors de freqüència de potència són generalment més grans en comparació amb els transformadors d'alta freqüència. Per tant, el volum de font d'alimentació lineal AC/DC implementada amb transformadors de freqüència d'alimentació és relativament gran.
La font d'alimentació de commutació CA/CC requereix primer rectificar i filtrar la font d'alimentació CA per formar una alta tensió de CC aproximada i després controlar l'interruptor per generar polsos d'alta freqüència, que es transformen mitjançant un transformador. La font d'alimentació de commutació AC/DC té una eficiència més alta i una mida més petita. Una raó important de la seva petita mida és que els transformadors d'alta freqüència són molt més petits que els transformadors de freqüència de potència. Per què com més gran és la freqüència, més petit és el volum del transformador?
Els materials del nucli del transformador tenen límits de saturació, de manera que hi ha límits a la intensitat màxima del camp magnètic. El corrent, la intensitat del camp magnètic i el flux magnètic del corrent altern són tots senyals sinusoïdals. Sabem que per als senyals sinusoïdals de la mateixa amplitud, com més gran sigui la freqüència, més gran serà el pic de la "taxa de canvi" del senyal (el moment en què el senyal sinusoïdal creua zero és el pic de la "taxa de canvi", mentre que la velocitat de canvi al pic del senyal és 0). Mentrestant, la tensió induïda està determinada per la velocitat de canvi del flux magnètic. Així, per a la mateixa tensió per volta, com més gran sigui la freqüència, més petit serà el flux magnètic màxim requerit. Però com s'ha esmentat anteriorment, el valor màxim de la intensitat del camp magnètic és limitat. Per tant, si es redueix el requisit de flux magnètic, es pot reduir l'àrea de la secció transversal del nucli de ferro. L'anàlisi anterior suposa la mateixa tensió per volta. I la tensió per volta està relacionada amb la potència. Per tant, assumint el mateix poder. Si la potència és menor, el corrent també és més petit i el cable permès és més prim i la resistència és lleugerament més alta, es permet augmentar el nombre de voltes. D'aquesta manera, també es redueix la tensió per volta, la qual cosa també pot reduir el requeriment de flux magnètic. A continuació, reduïu el volum. A més, l'anàlisi anterior suposa que el material és constant, és a dir, la intensitat del camp magnètic de saturació és constant. Per descomptat, si s'utilitzen materials amb una intensitat de camp magnètic de saturació més alta, també es pot reduir el volum. Sabem que en comparació amb els transformadors de la mateixa mida fa dècades, els transformadors d'avui dia tenen volums molt més petits perquè ara utilitzen nous materials de nucli de ferro.
Segons l'equació de Maxwell, la força electromotriu induïda E a la bobina del transformador és
És a dir, la integral de la velocitat de canvi de la densitat de flux magnètic B al llarg del temps sobre N espires de fil amb una àrea de Ac.
Per als transformadors, la força electromotriu induïda E al costat primari del transformador i la tensió U aplicada al costat d'entrada es poden considerar com una relació lineal. Partint de la premissa que l'amplitud de U al costat d'entrada del transformador es manté sense canvis, es pot considerar que l'amplitud de E també es manté sense canvis.
A més, hi ha un límit superior per a la densitat de flux magnètic B de cada tipus de nucli magnètic. La ferrita utilitzada per a aplicacions d'alta freqüència és d'unes poques dècimes de Tesla, mentre que el nucli de ferro utilitzat per a aplicacions de freqüència d'alimentació és al voltant d'un nivell lleugerament superior a un, amb una petita diferència.
Per tant, quan augmenta la freqüència, la taxa de canvi en la densitat de flux magnètic dB/dt durant cada cicle augmenta significativament, sempre que el canvi màxim de la densitat de flux magnètic B no sigui significatiu. Per tant, es pot utilitzar Ac o N més petit per aconseguir la mateixa força electromotriu induïda E. Una disminució d'Ac significa una disminució de l'àrea de la secció transversal del nucli magnètic; Una disminució de N significa que l'àrea de la finestra buida del nucli magnètic es pot reduir, ambdues coses poden ajudar a aconseguir un volum més petit del nucli magnètic. L'àrea de la secció transversal d'un transformador d'alta freqüència és més petita i el nombre de voltes de la bobina disminueix, donant lloc a un volum més petit.
El tub d'ajust de la font d'alimentació de commutació funciona en estats de saturació i tall, donant lloc a una baixa generació de calor i una alta eficiència. Les fonts d'alimentació de commutació AC/DC no requereixen l'ús de transformadors de freqüència de gran potència. Tanmateix, la sortida de CC de la font d'alimentació de commutació tindrà grans ondulacions superposades. A més, a causa de la gran interferència de pols màxima generada durant el funcionament del transistor de commutació, també és necessari filtrar la font d'alimentació al circuit per millorar la qualitat de la font d'alimentació. Relativament parlant, les fonts d'alimentació lineals no tenen els defectes anteriors i la seva ondulació pot ser molt petita.
