A kapcsolóüzemű tápegységek a bemeneti feszültséget a belső alkatrészek által igényelt értékre alakítják át. A kapcsolóüzemű tápegységek másik széles körben használt elnevezése az inverter.
Tartalomjegyzék
Mi az a kapcsolóüzemű tápegység?
Az inverter olyan másodlagos tápegység, amely a bemeneti váltakozó feszültség kétszeres átalakítását használja. A kimeneti értékeket az impulzusok időtartamának (szélességének) és bizonyos esetekben frekvenciájának változtatásával lehet beállítani. Ezt a fajta modulációt impulzusszélesség-modulációnak nevezik.
A kapcsolóüzemű tápegység elve
Az inverter úgy működik, hogy egyenirányítja a primer feszültséget, majd azt nagyfrekvenciás impulzusok sorozatává alakítja. Ez ellentétben áll a hagyományos transzformátorral. A kimeneti feszültséget egy negatív visszacsatolási jel létrehozására használják, amely lehetővé teszi az impulzus paramétereinek beállítását. Az impulzusszélesség szabályozásával könnyen megoldható a kimeneti paraméterek, a feszültség vagy az áram stabilizálása és szabályozása. Vagyis lehet feszültségszabályozó és áramszabályozó is.
A kimeneti értékek száma és polaritása nagyon eltérő lehet, attól függően, hogy a kapcsoló tápegység hogyan működik.
Különféle tápegységek
Többféle invertert használnak, amelyek áramköri felépítésükben különböznek egymástól:
- transzformátor nélküli;
- transzformátor.
Az előbbieket az különbözteti meg, hogy az impulzussorozat közvetlenül a készülék kimeneti egyenirányítójához és simítószűrőjéhez megy. Egy ilyen áramkör minimális számú alkatrésszel rendelkezik. Egy egyszerű inverter egy speciális integrált áramkört - impulzusszélességű oszcillátort - tartalmaz.
A transzformátor nélküli készülékek fő hátránya, hogy nincs galvanikus leválasztásuk a hálózati hálózatról, és áramütésveszélyt jelenthetnek. Általában alacsony teljesítményűek is, és csak 1 kimeneti feszültségértéket szolgáltatnak.
Gyakoribbak azok a transzformátoros eszközök, amelyekben a transzformátor primer tekercseléséhez nagyfrekvenciás impulzussorozatot alkalmaznak. Annyi szekunder tekercselés lehet, amennyire csak szükség van, így több kimeneti feszültség is kialakítható. Minden egyes szekunder tekercselés saját egyenirányítóval és simító szűrővel van terhelve.
Bármely számítógép nagy teljesítményű kapcsolóüzemű tápegysége ilyen áramkör szerint épül fel, amely nagy megbízhatósággal és biztonsággal rendelkezik. A visszacsatolási jelhez itt 5 vagy 12 voltos feszültséget használnak, mivel ezek az értékek a lehető legfinomabb stabilizálást igénylik.
A transzformátorok nagyfrekvenciás feszültségátalakításra való alkalmazása (50 Hz helyett több tíz kilohertz) lehetővé tette, hogy méretüket és súlyukat sokszorosára csökkentsék, és hogy elektromos vas helyett nagy koercitív erővel rendelkező ferromágneses anyagokat használjanak maganyagként (mágneses huzal).
Az egyenáramú egyenáramú átalakítók szintén impulzusszélesség-moduláción alapulnak. Inverter áramkörök használata nélkül az átalakítás nagyon nehéz volt.
Egyenáramú tápegység áramkör
A leggyakoribb impulzus-inverter konfiguráció áramköri diagramja a következőket tartalmazza:
- Interferenciaszűrő az interferencia elnyomására;
- egyenirányító;
- Egy simító szűrő;
- impulzusszélesség-átalakító;
- kulcsfontosságú tranzisztorok;
- kimeneti nagyfrekvenciás transzformátor;
- kimeneti egyenirányítók;
- egyéni és csoportos kimeneti szűrők.
A zavarelhárító szűrő célja, hogy a készülék működéséből származó zavarokat a hálózati tápegységbe csapdába ejtse. A nagy teljesítményű félvezető elemek kapcsolása rövid idejű impulzusok generálásával járhat együtt széles frekvenciaspektrumban. Ezért a szűrőösszeköttetésekhez speciálisan tervezett elemeket kell átmenő kondenzátorokként használni.
Az egyenirányító a bemeneti váltakozó feszültség egyenfeszültséggé alakítására szolgál, és egy utána következő simító szűrő kiküszöböli az egyenirányított feszültség hullámzását.
Ha egyenáramú átalakítót használnak, az egyenirányító és a szűrő szükségtelen, és a bemeneti jel a zajszűrő áramkörön áthaladva közvetlenül az impulzusszélességű átalakítóba (modulátorba) kerül, rövidítve PWM.
A PWM a kapcsolóüzemű tápegység áramkörének legösszetettebb része. Feladata a következőkre terjed ki:
- Nagyfrekvenciás impulzusok előállítása;
- az egység kimeneti paramétereinek felügyelete és az impulzussorozat korrekciója a visszacsatolási jelnek megfelelően;
- Túlterhelés elleni felügyelet és védelem.
A PWM jelet a nagy teljesítményű híd- vagy félhíd-összekapcsolt tranzisztorok vezérlőcsapjaira táplálják. A tápvezetékek a nagyfrekvenciás kimeneti transzformátor primer tekercséhez csatlakoznak. A hagyományos bipoláris tranzisztorokat IGBT vagy MOSFET tranzisztorok váltják fel, amelyek nagyon alacsony csatlakozási feszültségeséssel és nagy sebességű teljesítménnyel rendelkeznek. A tranzisztorok jobb teljesítménye lehetővé teszi a teljesítményleadás csökkentését azonos méretek és műszaki kialakítás mellett.
A kimeneti impulzus transzformátor ugyanazt az átalakítási elvet használja, mint a klasszikus transzformátor. Kivételt képez a túlfrekvenciás működés. Ennek következtében a nagyfrekvenciás transzformátorok kisebb méretekkel rendelkeznek ugyanahhoz az átvitt teljesítményhez.
A teljesítménytranszformátor (több is lehet) szekunder tekercselésének feszültségét a kimeneti egyenirányítókra táplálják. A bemeneti egyenirányítótól eltérően a szekunder áramkör egyenirányító diódáinak magasabb működési frekvenciával kell rendelkezniük. A Schottky-diódák működnek a legjobban az áramkör ezen szakaszában. A hagyományos diódákkal szembeni előnyeik a következők:
- magas működési frekvencia;
- alacsonyabb p-n átmenet kapacitása;
- alacsony feszültségesés.
A kimeneti szűrő célja a kapcsolóüzemű tápegységben az egyenirányított kimeneti feszültség hullámzásának a szükséges minimumra csökkentése. Mivel a hullámfrekvencia sokkal nagyobb, mint a hálózati feszültség, nincs szükség nagy kapacitásra és induktivitásra a tekercsekben.
A kapcsolóüzemű tápegység alkalmazási területe
A legtöbb esetben impulzusfeszültségű invertereket használnak a hagyományos, félvezető stabilizátorral ellátott transzformátoros inverterek helyett. Az inverterek azonos teljesítmény mellett kisebbek és könnyebbek, megbízhatóbbak és - ami a legfontosabb - hatékonyabbak, és a bemeneti feszültségek széles tartományában képesek működni. És hasonló méret esetén az inverter maximális teljesítménye többszöröse.
Egy olyan területen, mint az egyenfeszültség-átalakítás, az impulzusforrásoknak szinte nincs alternatívájuk, és nemcsak a feszültség csökkentésével, hanem magasabb feszültség előállításával és polaritás megfordításával is képesek működni. A magas konverziós frekvencia nagymértékben megkönnyíti a kimeneti paraméterek szűrését és stabilizálását.
A speciális integrált áramkörökön alapuló kis invertereket mindenféle kütyü töltőjeként használják, és megbízhatóságuk olyan nagy, hogy a töltőegység élettartama akár többszörösen is meghaladhatja egy mobil eszköz élettartamát.
A LED fényforrások bekapcsolására szolgáló 12 voltos tápmeghajtók szintén kapcsolóáramkörön alapulnak.
Hogyan készítsünk egy kapcsoló tápegységet saját kezűleg
Az inverterek, különösen a nagy teljesítményűek, bonyolult áramkörökkel rendelkeznek, és csak tapasztalt rádióamatőrök számára hozzáférhetőek. A hálózati tápegységek önszereléséhez egyszerű, alacsony fogyasztású áramkörök ajánlhatók speciális PWM-vezérlők alkalmazásával. Ezek az IC-k alacsony kábelezési igényűek, és jól bevált áramköri kialakítással rendelkeznek, amely gyakorlatilag nem igényel beállítást és hangolást.
Házi készítésű szerkezeteken végzett munka vagy ipari eszközök javítása során ne feledje, hogy az áramkör egy része mindig hálózati feszültség alatt lesz, ezért a biztonsági óvintézkedéseket be kell tartani.
Kapcsolódó cikkek:
