Різниця між лінійним джерелом живлення та імпульсним джерелом живлення
За принципом перетворення джерела живлення можна класифікувати на лінійні та імпульсні. Коли ми класифікуємо лінійні джерела живлення та імпульсні джерела живлення, нам насправді потрібно уточнити, чи це AC/DC чи DC/DC. Хоча ця класифікація спрямована на виділення принципів трансформації. Але чи є лінійні джерела живлення та імпульсні джерела живлення, які забезпечують функції змінного/постійного струму, повним процесом перетворення змінного струму на постійний, і деякі схеми складаються з постійного/постійного струму.
Лінійне джерело живлення та імпульсне джерело живлення для AC/DC
Існує багато підручників, книг і статей, які прямо називають лінійні джерела живлення «лінійними джерелами живлення для змінного/постійного струму». Що таке лінійне джерело живлення? Лінійне джерело живлення спочатку зменшує амплітуду напруги живлення змінного струму через трансформатор, потім випрямляє його через схему випрямляча для отримання імпульсного живлення постійного струму, а потім фільтрує його для отримання напруги постійного струму з невеликими пульсаціями напруги.
Характеристики лінійного джерела живлення змінного/постійного струму та імпульсного джерела живлення відрізняються наступним чином:
Лінійне джерело живлення змінного/постійного струму спочатку зменшується напругою змінного струму за допомогою трансформатора частоти, а потім випрямляється. Після зниження напруги через трансформатор напруга стала відносно низькою, і для стабілізації напруги можна використовувати силові мікросхеми, такі як трививодний стабілізатор напруги. Регулювальна трубка лінійного джерела живлення працює в підсиленому стані, що призводить до високого тепловиділення та низького ККД (пов’язаного з падінням напруги), що вимагає додавання громіздкого радіатора. Обсяг трансформаторів промислової частоти також відносно великий, і при виготовленні кількох комплектів виходів напруги об’єм трансформатора буде більшим.
Регулювальна трубка імпульсного джерела живлення змінного/постійного струму працює в режимах насичення та відключення, що призводить до низького виділення тепла та високої ефективності. Імпульсне джерело живлення змінного/постійного струму усуває потребу в громіздких трансформаторах частоти. Однак вихід постійного струму імпульсного джерела живлення змінного/постійного струму матиме більші пульсації, які можна покращити, підключивши діод стабілізатора напруги на вихідному кінці. Крім того, через високі пікові імпульсні перешкоди, що виникають під час роботи комутаційної трубки, для покращення магнітні кульки необхідно з’єднувати послідовно в ланцюзі. Умовно кажучи, пульсації лінійного джерела живлення можна зробити дуже маленькими. Імпульсні джерела живлення можуть бути досягнуті за допомогою різних топологічних структур, таких як зниження напруги, підвищення та підвищення, тоді як лінійні джерела живлення можуть досягти лише зниження напруги.
Багато перших адаптерів живлення були відносно важкими, а принцип їх перетворення був лінійним блоком живлення змінного/постійного струму, який використовував внутрішній трансформатор частоти. У лінійному джерелі живлення змінного/постійного струму спочатку використовується трансформатор для зниження напруги змінного струму. Цей тип трансформатора, який безпосередньо знижує напругу в мережі, називається трансформатором промислової частоти, як показано на малюнку 1.9. Трансформатори промислової частоти, також відомі як трансформатори низької частоти, відрізняються від трансформаторів високої частоти, які використовуються в імпульсних джерелах живлення. Трансформатори промислової частоти широко використовувалися в традиційних джерелах електроенергії в минулому. Стандартна частота електромережі в електроенергетиці, також відома як електромережа ("мережа живлення" стосується джерела живлення, яке в основному використовують мешканці міст), становить 50 Гц у Китаї та 60 Гц в інших країнах. Трансформатор, який може змінювати напругу змінного струму на цій частоті, називається трансформатором промислової частоти. Трансформатори промислової частоти, як правило, більші за розміром порівняно з трансформаторами високої частоти. Таким чином, обсяг лінійного джерела живлення змінного/постійного струму, реалізованого за допомогою трансформаторів промислової частоти, є відносно великим.
Імпульсне джерело живлення змінного/постійного струму вимагає спочатку випрямлення та фільтрації джерела живлення змінного струму для формування приблизної високої напруги постійного струму, а потім управління перемикачем для генерування високочастотних імпульсів, які перетворюються через трансформатор. Імпульсний джерело живлення AC/DC має вищий ККД і менший розмір. Однією з важливих причин його невеликих розмірів є те, що високочастотні трансформатори набагато менші за трансформатори промислової частоти. Чому чим вища частота, тим менший об’єм трансформатора?
Матеріали сердечника трансформатора мають межі насичення, тому існують обмеження для пікової напруженості магнітного поля. Сила струму, напруженість магнітного поля та магнітний потік змінного струму є синусоїдальними сигналами. Ми знаємо, що для синусоїдальних сигналів однакової амплітуди, чим вища частота, тим вищий пік «швидкості зміни» сигналу (момент, коли синусоїдний сигнал перетинає нуль, є піком «швидкості зміни», тоді як швидкість зміни на піку сигналу становить 0). Між тим, індукована напруга визначається швидкістю зміни магнітного потоку. Отже, для однакової напруги на виток, чим вища частота, тим менший потрібний піковий магнітний потік. Але, як згадувалося вище, пікове значення напруженості магнітного поля обмежене. Отже, якщо вимога до магнітного потоку зменшується, площа поперечного перерізу залізного сердечника може бути зменшена. Наведений вище аналіз передбачає однакову напругу на виток. І напруга на виток пов'язана з потужністю. Тому, припускаючи однакову потужність. Якщо потужність менше, то менше і сила струму, і дозволений дріт тонший, а опір трохи вище, допускається збільшення числа витків. Таким чином, напруга на виток також зменшується, що також може зменшити вимогу до магнітного потоку. Потім зменшіть гучність. Крім того, наведений вище аналіз припускає, що матеріал постійний, тобто напруженість магнітного поля насичення постійна. Звичайно, якщо використовуються матеріали з більшою напруженістю магнітного поля насичення, обсяг також можна зменшити. Ми знаємо, що порівняно з трансформаторами того самого розміру кілька десятиліть тому, нинішні трансформатори мають набагато менші об’єми, тому що вони тепер використовують нові матеріали із залізного сердечника.
Відповідно до рівняння Максвелла індукована електрорушійна сила E в котушці трансформатора становить
Тобто інтеграл від швидкості зміни щільності магнітного потоку B з часом на N дроту змінюється на площу Ac.
Для трансформаторів індукована електрорушійна сила E на первинній стороні трансформатора та напруга U, прикладена на вхідній стороні, можна розглядати як лінійну залежність. Виходячи з того, що амплітуда U на вхідній стороні трансформатора залишається незмінною, можна вважати, що амплітуда E також залишається незмінною.
Крім того, існує верхня межа для щільності магнітного потоку B кожного типу магнітопровода. Ферит, який використовується для високочастотних додатків, становить приблизно кілька десятих Тесла, тоді як залізний сердечник, який використовується для додатків на потужній частоті, має приблизно рівень трохи більше одиниці, з невеликою різницею.
Отже, коли частота збільшується, швидкість зміни щільності магнітного потоку dB/dt протягом кожного циклу значно збільшується, за умови, що пікова зміна щільності магнітного потоку B незначна. Отже, менші Ac або N можна використовувати для досягнення тієї самої індукованої електрорушійної сили E. Зменшення Ac означає зменшення площі поперечного перерізу магнітного сердечника; Зменшення N означає, що площа порожнього вікна магнітного сердечника може бути зменшена, і обидва вони можуть допомогти досягти меншого об’єму магнітного сердечника. Площа поперечного перерізу високочастотного трансформатора менша, і кількість витків у котушці зменшується, внаслідок чого зменшується об’єм.
Регулювальна трубка імпульсного джерела живлення працює в режимах насичення та відключення, що забезпечує низьке теплоутворення та високу ефективність. Імпульсні джерела живлення змінного/постійного струму не вимагають використання потужних трансформаторів частоти. Однак вихід постійного струму імпульсного джерела живлення матиме великі пульсації, що накладаються на нього. Крім того, через велику пікову імпульсну перешкоду, що створюється під час роботи перемикаючого транзистора, також необхідно фільтрувати джерело живлення в схемі, щоб покращити якість джерела живлення. Умовно кажучи, лінійні джерела струму не мають перерахованих вище дефектів, і їх пульсації можуть бути дуже малими.
