スイッチング電源は、入力電圧をデバイスの内部要素が必要とする値に変換するために使用されます。スイッチング電源のもう 1 つの広く使用されている名前は、インバータです。
スイッチング電源とは？
インバーターは、入力 AC 電圧の二重変換を使用する 2 次電源です。出力値は、パルスの持続時間 (幅) を変更することによって調整されます。場合によっては、パルスの繰り返し周波数を変更することもあります。このタイプの変調は、パルス幅変調と呼ばれます。
スイッチング電源の動作原理
インバーターの基本原理は、一次電圧を整流し、それを一連の高周波パルスに変換することです。これが従来の変圧器との違いです。ユニットの出力電圧は負帰還信号を形成するのに役立ち、パルスパラメータを調整することができます。パルス幅を制御することにより、出力パラメータ、電圧または電流の安定化とレギュレーションを簡単に調整できます。つまり、電圧レギュレーターでも電流レギュレーターでもかまいません。
出力値の数と極性は、スイッチング電源の動作方法によって大きく異なります。
各種電源
回路設計が異なるいくつかのタイプのインバータが使用されています。
- トランスレス;
- 変成器。
最初のものは、パルスシーケンスがデバイスの出力整流器と平滑化フィルターに直接送られるという事実によって区別されます。このような回路には最小限のコンポーネントしかありません。シンプルなインバーターには、パルス幅発振器という特殊な集積回路が含まれています。
変圧器のないデバイスの主な欠点は、電源ネットワークからガルバニック絶縁がなく、感電の危険性があることです。また、通常は電力が低く、出力電圧の値が 1 つしかありません。
より一般的なのはトランス デバイスで、高周波パルス シーケンスがトランスの一次巻線に送られます。必要な数の二次巻線が存在する可能性があり、複数の出力電圧を形成できます。各二次巻線には、独自の整流器と平滑化フィルターが搭載されています。
あらゆるコンピュータの強力なスイッチングモード電源は、高い信頼性と安全性を備えたこのような回路に従って構築されています。ここでのフィードバック信号には、5 または 12 ボルトの電圧が使用されます。これは、これらの値が最も正確な安定化を必要とするためです。
高周波電圧変換 (50 Hz ではなく数十キロヘルツ) に変圧器を使用することで、サイズと重量を何度も減らすことができ、鉄の代わりに保磁力の高い強磁性材料をコア材料 (磁性ワイヤ) として使用することができました。
DC-DCコンバータもパルス幅変調に基づいています。インバータ回路を使用しない場合、変換は非常に困難でした。
電源回路図
最も一般的なパルス コンバータ構成の回路には、次のものが含まれます。
- 電源ノイズフィルター;
- 整流器
- 平滑化フィルター;
- パルス幅コンバーター;
- キートランジスタ;
- 高周波出力トランス;
- 出力整流器;
- 個別およびグループの出力フィルター。
干渉抑制フィルタの目的は、デバイスの動作から電源ネットワークへの干渉をトラップすることです。強力な半導体素子のスイッチングには、広い周波数スペクトルでの短期間のパルスの生成が伴います。したがって、ここでは、特別に設計された要素をフィルタリング リンクのパススルー コンデンサとして使用する必要があります。
入力 AC 電圧を DC に変換するために整流器が使用され、下流の平滑化フィルタが整流された電圧のリップルを除去します。
DCコンバーターを使用する場合、整流器とフィルターは不要で、入力信号はノイズフィルター回路を通過した後、直接パルス幅コンバーター（変調器）、略してPWMに送られます。
PWM は、スイッチング電源回路の中で最も複雑な部分です。そのタスクは次のとおりです。
- 高周波パルスの生成;
- フィードバック信号に応じたユニット出力パラメータの制御とパルス列補正。
- 過負荷に対する監視と保護。
PWM 信号は、ブリッジまたはハーフブリッジ回路のパワー キー トランジスタの制御ピンに供給されます。トランジスタの電源リードは、高周波出力トランスの一次巻線に負荷されます。従来のバイポーラ トランジスタは、ジャンクション電圧降下が低く、高速性能を備えた IGBT または MOSFET トランジスタに置き換えられます。トランジスタの改善されたパラメータは、同じサイズと技術設計パラメータを維持しながら、消費電力を削減するのに役立ちます。
出力パルストランスは、従来のトランスと同じ変換原理を使用しています。例外は、増加した頻度での操作です。結果として、同じ送信電力を持つ高周波トランスは、より小さな寸法になります。
電源トランスの二次巻線（複数ある場合があります）からの電圧は、出力整流器に送られます。入力整流器とは異なり、二次回路の整流ダイオードはより高い動作周波数を持つ必要があります。ショットキー ダイオードは、回路のこのセクションで最適に機能します。従来のダイオードに対する利点は次のとおりです。
- 高い動作周波数;
- pn接合の静電容量が小さい。
- 低電圧降下。
スイッチングモード電源の出力フィルタの目的は、整流された出力電圧のリップルを必要最小限に抑えることです。リップル周波数はライン電圧よりもはるかに高いため、コイルに大きな静電容量とインダクタンスは必要ありません。
スイッチモード電源の適用範囲
ほとんどの場合、半導体安定器を備えた従来の変圧器の代わりに、パルス電圧コンバータが使用されます。同じ電力で、インバーターは全体の寸法と重量が小さく、信頼性が高く、最も重要なのは、効率が高く、幅広い入力電圧で動作する能力です。また、同等の寸法で、インバーターの最大電力は数倍高くなります。
DC電圧変換のような分野では、パルス源にはほとんど代替手段がなく、電圧を下げるだけでなく、より高い電圧を生成し、極性反転を組織することもできます。変換周波数が高いと、出力パラメータのフィルタリングと安定化が大幅に容易になります。
専用集積回路上の小型インバーターは、あらゆる種類のガジェットの充電器として使用され、その信頼性は、充電ユニットの耐用年数がモバイル機器の耐用年数を数倍超えるほどです。
LED光源をオンにするための12ボルト電源ドライバも、パルス回路に基づいています。
自分の手でスイッチング電源を作る方法
インバーター、特に強力なインバーターは複雑な回路を持っており、経験豊富なアマチュア無線家のみが複製することができます。主電源の自己組み立て用に特化した PWM コントローラ チップを備えたシンプルな低電力回路をお勧めします。このようなICは、配管要素が少なく、十分にテストされた典型的なスイッチング回路を備えているため、実際には調整やチューニングは必要ありません。
自家製の設計で作業したり、産業用デバイスを修理したりするときは、回路の一部が常にネットワークの可能性の下にあることに注意してください。そのため、安全上の注意を守る必要があります。
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