Schakelende voedingen worden gebruikt om de ingangsspanning om te zetten in de waarde die nodig is voor de interne componenten van een apparaat. Een andere veel gebruikte naam voor schakelende voedingen is inverters.
Inhoud
Wat is een schakelende voeding?
Een omvormer is een secundaire stroomvoorziening die gebruik maakt van een dubbele omzetting van de ingangswisselspanning. De uitgangswaarden worden aangepast door de duur (breedte) van de pulsen en, in sommige gevallen, hun frequentie te veranderen. Dit type modulatie wordt pulsbreedtemodulatie genoemd.
Het principe van een schakelende voeding
De omvormer werkt door de primaire spanning gelijk te schakelen en deze vervolgens om te zetten in een reeks hoogfrequente pulsen. Dit in tegenstelling tot een conventionele transformator. De uitgangsspanning wordt gebruikt om een negatief feedbacksignaal op te wekken waarmee de pulsparameters kunnen worden aangepast. Door de pulsbreedte te regelen, kunnen de uitgangsparameters, de spanning of de stroom, gemakkelijk worden gestabiliseerd en geregeld. Dat wil zeggen dat het zowel een spanningsregelaar als een stroomregelaar kan zijn.
Het aantal en de polariteit van de uitgangswaarden kunnen zeer verschillend zijn, afhankelijk van hoe de schakelende voeding werkt.
Verscheidenheid aan voedingen
Er worden verschillende typen omvormers gebruikt, die verschillen in hun schakeling:
- zonder transformator;
- transformator.
De eerste onderscheiden zich door het feit dat de pulssequentie rechtstreeks naar de uitgangsgelijkrichter en het afvlakfilter van het toestel gaat. Een dergelijke schakeling heeft een minimum aan componenten. Een eenvoudige omvormer bevat een gespecialiseerde geïntegreerde schakeling - pulsbreedte oscillator.
Het grootste nadeel van transformatorloze toestellen is dat zij geen galvanische scheiding van het elektriciteitsnet hebben en een schok kunnen veroorzaken. Zij hebben gewoonlijk ook een laag vermogen en leveren slechts 1 waarde van de uitgangsspanning.
Meer gebruikelijk zijn transformatorapparaten waarbij een hoogfrequente pulssequentie wordt toegepast op de primaire wikkeling van de transformator. Er kunnen zoveel secundaire wikkelingen zijn als nodig zijn, zodat verschillende uitgangsspanningen kunnen worden gevormd. Elke secundaire wikkeling is belast met zijn eigen gelijkrichter en afvlakfilter.
Een krachtige schakelende voedingseenheid van een computer wordt gebouwd volgens een dergelijk circuit, dat een hoge betrouwbaarheid en veiligheid heeft. Voor het terugkoppelsignaal wordt hier een spanning van 5 of 12 volt gebruikt, aangezien deze waarden een zo fijn mogelijke stabilisatie vereisen.
Het gebruik van transformatoren voor de omzetting van hoogfrequente spanning (tientallen kilohertz in plaats van 50 Hz) maakte het mogelijk de afmetingen en het gewicht ervan vele malen te verminderen en ferromagnetische materialen met een hoge coërcerende kracht te gebruiken als kernmateriaal (magnetische draad) in plaats van elektrisch ijzer.
DC-DC-omzetters zijn ook gebaseerd op pulsbreedtemodulatie. Zonder gebruik te maken van inverter circuits, was de conversie zeer moeilijk.
DC stroomtoevoer circuit
Het schakelschema van de meest voorkomende pulsomvormerconfiguratie omvat:
- Een lijnfilter voor storingsonderdrukking;
- gelijkrichter;
- Een afvlakkingsfilter;
- pulsbreedte convertor;
- belangrijke transistors;
- hoogfrequent uitgangstransformator;
- uitgangsgelijkrichters;
- individuele en groepsuitgangsfilters.
Het doel van het ontstoringsfilter is om storingen van de werking van het toestel op te vangen in het lichtnet. Het schakelen van krachtige halfgeleiderelementen kan gepaard gaan met het genereren van kortstondige pulsen in een breed frequentiespectrum. Daarom is het noodzakelijk speciaal ontworpen elementen te gebruiken als doorlaatcondensatoren voor de filterende verbindingen.
De gelijkrichter dient voor de omzetting van de ingangswisselspanning in gelijkspanning, en een stroomafwaarts afvlakkingsfilter elimineert de rimpeling van de gelijkgerichte spanning.
Wanneer een gelijkstroomomvormer wordt gebruikt, zijn de gelijkrichter en het filter overbodig en wordt het ingangssignaal, nadat het door het ruisfiltercircuit is gegaan, rechtstreeks naar de pulsfrequentieomvormer (modulator) gevoerd, afgekort als PWM.
PWM is het meest complexe onderdeel van een schakeling van een schakelende voeding. Haar taak omvat:
- Opwekking van hoogfrequente pulsen;
- bewaking van de uitgangsparameters van de eenheid en correctie van de pulstrein aan de hand van het feedbacksignaal;
- Bewaking en bescherming tegen overbelasting.
Het PWM-signaal wordt toegevoerd aan de stuurpennen van krachtige brug- of halfbrug-gekoppelde transistoren. De voedingsdraden zijn verbonden met de primaire wikkeling van de hoogfrequente uitgangstransformator. Traditionele bipolaire transistoren worden vervangen door IGBT- of MOSFET-transistoren, die een zeer laag spanningsverlies bij de junctie hebben en zeer snel werken. De verbeterde prestaties van de transistors maken een vermindering van de vermogensdissipatie mogelijk bij dezelfde afmetingen en hetzelfde technische ontwerp.
De uitgangspulstransformator maakt gebruik van hetzelfde omzettingsprincipe als de klassieke transformator. De uitzondering is de overfrequentiewerking. Als gevolg daarvan hebben hoogfrequentietransformatoren kleinere afmetingen voor hetzelfde uitgezonden vermogen.
De spanning van de secundaire wikkeling van de vermogenstransformator (er kunnen er meerdere zijn) wordt toegevoerd aan de uitgangsgelijkrichters. In tegenstelling tot de ingangsgelijkrichter moeten de gelijkrichterdioden van de secundaire kring een hogere werkfrequentie hebben. Schottky diodes werken het best in dit deel van de schakeling. Hun voordelen ten opzichte van conventionele diodes zijn:
- hoge werkfrequentie;
- lagere p-n junctiecapaciteit;
- lage spanningsval.
Het doel van het uitgangsfilter in een schakelende voeding is om de rimpel in de gelijkgerichte uitgangsspanning tot het noodzakelijke minimum te beperken. Aangezien de rimpelfrequentie veel hoger is dan de lijnspanning, is er geen behoefte aan hoge capaciteit en inductie in de spoelen.
Toepassingsgebied van de geschakelde voeding
In de meeste gevallen worden pulspanningsomvormers gebruikt in plaats van traditionele transformatoromvormers met halfgeleiderstabilisatoren. Met hetzelfde vermogen zijn omvormers kleiner en lichter, betrouwbaarder en, wat het belangrijkste is, efficiënter en kunnen ze werken over een breed bereik van ingangsspanningen. En voor een vergelijkbare grootte is het maximumvermogen van de omvormer verschillende malen hoger.
Op een dergelijk gebied als de omzetting van gelijkspanning hebben pulsbronnen bijna geen alternatief en kunnen zij niet alleen werken door de spanning te verlagen, maar ook door een hogere spanning op te wekken en de polariteit om te keren. De hoge conversiefrequentie vergemakkelijkt in hoge mate het filteren en stabiliseren van de uitgangsparameters.
Kleine omvormers op basis van gespecialiseerde geïntegreerde schakelingen worden gebruikt als opladers voor allerlei gadgets, en hun betrouwbaarheid is zodanig dat de levensduur van de oplaadeenheid de levensduur van een mobiel toestel verschillende malen kan overtreffen.
12-volt power drivers voor het inschakelen van LED-lichtbronnen zijn ook gebaseerd op een schakelschakeling.
Hoe maak je een schakelende voeding met je eigen handen
Omvormers, vooral krachtige, hebben complexe schakelingen en zijn alleen toegankelijk voor ervaren radioamateurs. Eenvoudige circuits met een laag vermogen met gebruikmaking van gespecialiseerde PWM-regelaars kunnen worden aanbevolen voor het zelf samenstellen van netvoedingen. Deze IC's hebben weinig bedrading en een beproefd circuitontwerp dat vrijwel geen afstelling en tuning vereist.
Bij het werken aan zelfgemaakte constructies of het repareren van industriële apparatuur moet men bedenken dat een deel van de stroomkring altijd onder het netpotentiaal zal liggen, zodat de veiligheidsmaatregelen in acht moeten worden genomen.
Verwante artikelen:
