Układy elektroniczne - SMPS

Tematy poruszane do tej pory dotyczą różnych działów zasilacza. Wszystkie te sekcje razem tworzą plikLinear Power Supply. Jest to konwencjonalna metoda uzyskiwania prądu stałego z wejściowego źródła zasilania prądem przemiennym.

Liniowy zasilacz

Liniowy zasilacz (LPS) to regulowany zasilacz, który rozprasza dużo ciepła w rezystorze szeregowym, aby regulować napięcie wyjściowe, które ma niskie tętnienia i niski poziom szumów. Ten LPS ma wiele zastosowań.

Liniowy zasilacz wymaga większych urządzeń półprzewodnikowych do regulacji napięcia wyjściowego i generuje więcej ciepła, co skutkuje niższą wydajnością energetyczną. Zasilacze liniowe mają czasy reakcji przejściowej do 100 razy szybsze niż inne, co jest bardzo ważne w niektórych wyspecjalizowanych obszarach.

Zalety LPS

• Zasilanie jest ciągłe.
• Obwód jest prosty.
• To są niezawodne systemy.
• Ten system dynamicznie reaguje na zmiany obciążenia.
• Rezystancje obwodu są zmieniane w celu regulacji napięcia wyjściowego.
• Ponieważ komponenty działają w obszarze liniowym, szum jest niski.
• Tętnienia są bardzo niskie w napięciu wyjściowym.

Wady LPS

• Zastosowane transformatory są cięższe i większe.
• Odprowadzanie ciepła jest większe.
• Sprawność zasilacza liniowego wynosi od 40 do 50%
• W obwodach LPS energia jest marnowana w postaci ciepła.
• Uzyskuje się pojedyncze napięcie wyjściowe.

Przeszliśmy już przez różne części zasilacza liniowego. Schemat blokowy zasilacza liniowego przedstawiono na poniższym rysunku.

Pomimo powyższych wad, zasilacze liniowe są szeroko stosowane we wzmacniaczach o niskim poziomie szumów, sprzęcie testowym, obwodach sterujących. Ponadto znajdują również zastosowanie w akwizycji danych i przetwarzaniu sygnałów.

Wszystkie systemy zasilania, które wymagają prostej regulacji i gdzie sprawność nie ma znaczenia, stosowane są obwody LPS. Ponieważ szum elektryczny jest niższy, LPS jest używany do zasilania czułych obwodów analogowych. Aby jednak przezwyciężyć wady systemu zasilania liniowego, stosuje się zasilacz impulsowy (SMPS).

Zasilacz impulsowy (SMPS)

Wady LPS, takie jak niższa wydajność, potrzeba dużej wartości kondensatorów w celu zmniejszenia tętnień oraz ciężkich i kosztownych transformatorów itp., Są przezwyciężane poprzez wdrożenie Switched Mode Power Supplies.

Działanie SMPS można po prostu zrozumieć, wiedząc, że tranzystor używany w LPS jest używany do kontrolowania spadku napięcia, podczas gdy tranzystor w SMPS jest używany jako controlled switch.

Pracujący

Działanie SMPS można zrozumieć na poniższym rysunku.

Spróbujmy zrozumieć, co dzieje się na każdym etapie obwodu SMPS.

Stopień wejściowy

Sygnał wejściowy AC 50 Hz jest podawany bezpośrednio do prostownika i kombinacji obwodu filtra bez użycia transformatora. To wyjście będzie miało wiele odmian, a wartość pojemności kondensatora powinna być wyższa, aby sprostać fluktuacjom wejściowym. Ten nieregulowany prąd stały jest podawany do centralnej sekcji przełączającej SMPS.

Sekcja przełączania

W tej sekcji zastosowano szybkie urządzenie przełączające, takie jak tranzystor mocy lub MOSFET, które włącza i wyłącza w zależności od zmian, a wyjście to jest przekazywane do uzwojenia pierwotnego transformatora obecnego w tej sekcji. Zastosowane tutaj transformatory są znacznie mniejsze i lżejsze w porównaniu z transformatorami używanymi do zasilania 60 Hz. Są one znacznie wydajne, a zatem współczynnik konwersji mocy jest wyższy.

Stopień wyjściowy

Sygnał wyjściowy z sekcji przełączającej jest ponownie prostowany i filtrowany, aby uzyskać wymagane napięcie DC. Jest to regulowane napięcie wyjściowe, które jest następnie podawane do obwodu sterującego, który jest obwodem sprzężenia zwrotnego. Ostateczny wynik uzyskuje się po uwzględnieniu sygnału zwrotnego.

Jednostka sterująca

Ta jednostka jest obwodem sprzężenia zwrotnego, który ma wiele sekcji. Pozwól nam jasno zrozumieć to na podstawie poniższego rysunku.

Powyższy rysunek wyjaśnia wewnętrzne części jednostki sterującej. Czujnik wyjściowy wyczuwa sygnał i łączy go z jednostką sterującą. Sygnał jest izolowany od drugiej sekcji, więc żadne nagłe skoki nie powinny wpływać na obwody. Napięcie odniesienia podawane jest jako jedno wejście wraz z sygnałem do wzmacniacza błędu, który jest komparatorem, który porównuje sygnał z wymaganym poziomem sygnału.

Kontrolując częstotliwość przerywania, utrzymywany jest końcowy poziom napięcia. Jest to kontrolowane przez porównanie danych wejściowych podawanych do wzmacniacza błędu, którego wyjście pomaga zdecydować, czy zwiększyć, czy zmniejszyć częstotliwość przerywania. Oscylator PWM wytwarza standardową stałą częstotliwość fali PWM.

Możemy uzyskać lepszy obraz pełnego funkcjonowania SMPS, patrząc na poniższy rysunek.

SMPS jest używany głównie tam, gdzie przełączanie napięć nie stanowi żadnego problemu i gdzie naprawdę liczy się wydajność systemu. Jest kilka punktów, na które należy zwrócić uwagę w odniesieniu do SMPS. Oni są

• Obwód SMPS jest obsługiwany przez przełączanie, a zatem napięcia zmieniają się w sposób ciągły.

• Urządzenie przełączające pracuje w trybie nasycenia lub odcięcia.

• Napięcie wyjściowe jest kontrolowane przez czas przełączania obwodu sprzężenia zwrotnego.

• Czas przełączania jest regulowany poprzez dostosowanie cyklu pracy.

• Wydajność SMPS jest wysoka, ponieważ zamiast rozpraszać nadmiar mocy w postaci ciepła, w sposób ciągły przełącza swoje wejście, aby sterować wyjściem.

Niedogodności

SMPS ma kilka wad, takich jak

• Hałas jest spowodowany przełączaniem wysokiej częstotliwości.
• Obwód jest złożony.
• Wytwarza zakłócenia elektromagnetyczne.

Zalety

Zalety SMPS obejmują:

• Sprawność od 80 do 90%
• Mniejsze wytwarzanie ciepła; mniejsze straty mocy.
• Zmniejszone sprzężenie harmoniczne w sieci zasilającej.
• Urządzenie jest kompaktowe i niewielkie.
• Koszt produkcji jest obniżony.
• Zapewnienie wymaganej liczby napięć.

Aplikacje

Istnieje wiele zastosowań SMPS. Znajdują zastosowanie w płytach głównych komputerów, ładowarkach do telefonów komórkowych, pomiarach HVDC, ładowarkach akumulatorów, centralnej dystrybucji energii, pojazdach silnikowych, elektronice użytkowej, laptopach, systemach bezpieczeństwa, stacjach kosmicznych itp.

Rodzaje SMPS

SMPS to obwód zasilacza impulsowego, który jest przeznaczony do uzyskiwania regulowanego napięcia wyjściowego DC z nieregulowanego napięcia DC lub AC. Istnieją cztery główne typy SMPS, takie jak

• Konwerter DC na DC
• Konwerter AC na DC
• Fly Back Converter
• Konwerter do przodu

Część konwersji AC na DC w sekcji wejściowej stanowi różnicę między przetwornicą AC na DC i przetwornicą DC na DC. Konwerter Fly back jest używany w aplikacjach małej mocy. Istnieją również konwertery Buck i Boost w typach SMPS, które zmniejszają lub zwiększają napięcie wyjściowe w zależności od wymagań. Drugi typ SMPS to samoscylujący konwerter fly-back, konwerter buck-boost, Cuk, Sepic itp.