Alimentare cu comutare Cum se testează și se utilizează în aplicații
Cele două tipuri majore de surse de alimentare, modul liniar și de comutare (SMPS), funcționează în conformitate cu principii complet diferite și au caracteristici distinctive. Lucrările de proiectare și întreținerea fiecăruia necesită mentalități total diferite.
SMPS este acum utilizat pe scară largă datorită eficienței sale mai mari, a costurilor reduse și a greutății și calităților termice mai bune. Există unele dezavantaje, care totuși pot fi atenuate printr-o planificare atentă în etapa de proiectare.
Mai întâi, ca perspectivă, vom revizita vechea sursă de alimentare liniară. A fost o parte familiară a televizoarelor analogice CRT, contribuind la greutatea considerabilă din cauza transformatorului de putere grea. Acest lucru a fost totuși un plus, deoarece mai multe robinete secundare au pus la dispoziție orice număr de tensiuni, după cum este necesar pentru polarizare, filamente, devierea tubului de imagine etc.
În sursele de alimentare liniare, dispozitivele active funcționează în porțiunea liniară a curbelor lor de răspuns. Acest lucru este în contrast cu SMPS, unde mai întâi puterea de intrare este convertită în unde pătrate cu ciclu de funcționare diferit. Componentele active funcționează în moduri neliniare. Când componentele funcționează în porțiuni liniare ale curbelor de răspuns, ele acționează efectiv ca rezistențe variabile care disipă puterea (din cauza I 2 R). Acesta este motivul pentru care o cantitate considerabilă din puterea de intrare este disipată sub formă de căldură și aceasta este situația într-o sursă de alimentare liniară.
Alimentarea liniară constă dintr-o serie de etape. Linia de curent alternativ, de multe ori începând cu o mufă pentru a prelua 120-V, curent monofazat, trece printr-o deschidere cu capăt în dulap unde, la punctul de intrare, există întotdeauna o siguranță și un comutator cu lumină de alimentare opțională. Alimentează primarul transformatorului de putere, care poate avea orice număr de înfășurări secundare. Pe lângă capacitatea de a furniza o serie de tensiuni, acest tip de transformator nu are nicio conexiune electrică între înfășurările primare și secundare, deci este cunoscut sub numele de transformator de izolare. (Împământarea nu trece printr-un transformator decât dacă este un autotransformator, unde primarul și secundarul sunt o singură înfășurare, apăsate în diferite puncte.)
Ce este bun la sursa de alimentare liniară este că fluxul de energie este ușor de urmărit. Merge la redresor, format din una sau mai multe diode, la condensatori de filtrare electrolitică, conectați în paralel pentru a elimina ondulația de curent alternativ și, ocazional, la inductoare mai scumpe conectate în serie pentru a purifica continuu curentul continuu. Apoi vine un regulator liniar și o ieșire de curent continuu final. Totul este ușor de proiectat și diagnosticat. Cei mai comuni producători de probleme sunt condensatoarele electrolitice, care pot fi inspectate vizual și verificate cu un multimetru.
După cum s-a menționat anterior, semiconductorii dintr-o sursă liniară pot forma efectiv o rezistență mare care disipă căldura, iar sursele liniare încorporează componente voluminoase (cum ar fi transformatorul) care fac ca sursa să fie fizic mare. Pentru aparatele mici de consum, este posibil ca căldura să nu fie o problemă, dar dimensiunile și greutatea componentelor mai mari ar putea fi. Telefoanele mobile și laptopurile așa cum le știm nu ar fi posibile cu surse de alimentare liniare.
În schimb, un SMPS încorporează un tranzistor care funcționează ca un comutator digital. Comutatorul este fie dezactivat, practic fără curent, fie complet pornit, cu rezistență redusă. Singura dată când se generează căldură și trebuie disipată în timpul tranzițiilor de pornire/oprire. Timpurile extrem de rapide de creștere și cădere ale valului pătrat fac ca aceste tranziții să dispară scurt. Acest factor explică marea eficiență a SMPS. Mai mult, așa cum vom vedea, transformatorul de izolare funcționează la frecvența de comutare, deci poate fi mai mic în comparație cu transformatorul de linie de alimentare de 60 Hz, care este o parte esențială a sursei de alimentare liniare.
Dimensiunea redusă a componentelor, eficiența mai mare și costurile reduse au dus la utilizarea pe scară largă a SMPS în aproape toate echipamentele electronice. Inovațiile recente au permis utilizarea acestuia în aplicații de mare putere. Dar implementarea SMPS nu a fost complet lipsită de probleme. Una dintre acestea este generarea de zgomot electronic, care, dacă nu este atenuat, poate apărea atât la intrarea, cât și la ieșirea SMPS. În plus, zgomotul electronic generat de procesul de comutare se poate propaga ca radiație de pe dispozitiv. Acest lucru se datorează faptului că unda pătrată, cu timpul său de creștere și cădere aproape instantanee, seamănă cu o sursă de energie de înaltă frecvență bogată în armonici dăunătoare.
Când este pornit, SMPS prezintă curent de intrare, care poate afecta echipamentele sensibile din apropiere prin intermediul sistemului de distribuție a energiei. O altă problemă potențială cauzată de armonici este încălzirea conductorului neutru din sursa de alimentare. Soluția este de a supradimensiona acest fir. În general vorbind, chiar și acolo unde sunt necesare îmbunătățiri, beneficiile generale în SMPS sunt semnificative, indiferent de scalare.