Stikalni napajalniki se uporabljajo za pretvorbo vhodne napetosti v vrednost, ki jo potrebujejo notranji elementi naprave. Drugo pogosto uporabljeno ime za stikalne napajalnike so inverterji.
Vsebina
Kaj je stikalni napajalnik?
Inverter je sekundarni napajalnik, ki uporablja dvojno pretvorbo vhodne izmenične napetosti. Izhodne vrednosti se prilagajajo s spreminjanjem trajanja (širine) impulzov in v nekaterih primerih frekvence njihovega ponavljanja. Ta vrsta modulacije se imenuje modulacija širine impulza.
Načelo delovanja stikalnega napajalnika
Osnovno načelo pretvornika je, da popravi primarno napetost in jo nato pretvori v niz visokofrekvenčnih impulzov. To je tisto, kar ga razlikuje od običajnega transformatorja. Izhodna napetost enote služi za oblikovanje negativnega povratnega signala, ki omogoča uravnavanje parametrov impulza. Z nadzorom širine impulza je enostavno urediti stabilizacijo in regulacijo izhodnih parametrov, napetosti ali toka. To pomeni, da je lahko napetostni regulator, pa tudi tokovni regulator.
Število in polarnost izhodnih vrednosti sta lahko zelo različni, odvisno od delovanja stikalnega napajanja.
Različice napajalnikov
Uporabilo se je več vrst pretvornikov, ki se razlikujejo po zasnovi vezja:
- brez transformatorja;
- transformator.
Prvi se odlikujejo po tem, da gre zaporedje impulzov neposredno na izhodni usmernik in gladilni filter naprave. Takšno vezje ima najmanj komponent. Preprost pretvornik vključuje specializirano integrirano vezje - oscilator širine impulza.
Glavna pomanjkljivost breztransformatorskih naprav je, da nimajo galvanske izolacije od napajalnega omrežja in lahko predstavljajo nevarnost električnega udara. Običajno imajo tudi nizko moč in zagotavljajo samo 1 vrednost izhodne napetosti.
Pogostejše so transformatorske naprave, v katerih visokofrekvenčno impulzno zaporedje gre v primarno navitje transformatorja. Sekundarnih navitij je lahko kolikor želite, kar omogoča oblikovanje več izhodnih napetosti. Vsako sekundarno navitje je obremenjeno s svojim usmernikom in gladilnim filtrom.
Zmogljiv preklopni napajalnik katerega koli računalnika je zgrajen po takšnem vezju, ki ima visoko zanesljivost in varnost. Za povratni signal se tukaj uporablja napetost 5 ali 12 voltov, ker te vrednosti zahtevajo najbolj natančno stabilizacijo.
Uporaba transformatorjev za visokofrekvenčno pretvorbo napetosti (desetine kilohercev namesto 50 Hz) je omogočila večkratno zmanjšanje njihove velikosti in teže ter uporabo feromagnetnih materialov z visoko koercitivno silo kot material jedra (magnetna žica) namesto električnega železa.
DC-DC pretvorniki prav tako temeljijo na pulznoširinski modulaciji. Brez uporabe inverterskih vezij je bila pretvorba povezana z velikimi težavami.
Shema napajanja
Vezje najpogostejše konfiguracije impulznega pretvornika vključuje:
- omrežni filter hrupa;
- usmernik
- gladilni filter;
- pretvornik impulzne širine;
- ključni tranzistorji;
- visokofrekvenčni izhodni transformator;
- izhodni usmerniki;
- individualni in skupinski izhodni filtri.
Namen filtra za dušenje motenj je prestrezanje motenj zaradi delovanja naprave v napajalno omrežje. Preklapljanje močnih polprevodniških elementov lahko spremlja ustvarjanje kratkotrajnih impulzov v širokem frekvenčnem spektru. Zato je tukaj potrebna uporaba posebej zasnovanih elementov kot prehodnih kondenzatorjev filtrirnih povezav.
Usmernik se uporablja za pretvorbo vhodne izmenične napetosti v enosmerno, spodnji gladilni filter pa odpravi valovanje v popravljeni napetosti.
Pri uporabi enosmernega pretvornika sta usmernik in filter nepotrebna, vhodni signal pa se po prehodu skozi vezje filtra hrupa dovaja neposredno v pretvornik širine impulza (modulator), skrajšano PWM.
PWM je najkompleksnejši del stikalnega napajalnega vezja. Njegova naloga vključuje:
- Generiranje visokofrekvenčnih impulzov;
- nadzor izhodnih parametrov enote in korekcija impulznega niza v skladu s povratnim signalom;
- nadzor in zaščita pred preobremenitvami.
Signal PWM se dovaja do krmilnih zatičev tranzistorjev ključa za vklop v mostnem ali pol-mostnem vezju. Napajalni vodi tranzistorjev so naloženi v primarno navitje visokofrekvenčnega izhodnega transformatorja. Tradicionalni bipolarni tranzistorji so nadomeščeni s tranzistorji IGBT ali MOSFET, ki imajo nizek padec spojne napetosti in visoko hitrost. Izboljšani parametri tranzistorjev pomagajo zmanjšati disipacijo moči, hkrati pa ohranjajo enako velikost in parametre tehnične zasnove.
Izhodni impulzni transformator uporablja enak princip pretvorbe kot klasični transformator. Izjema je operacija s povečano frekvenco. Posledično imajo visokofrekvenčni transformatorji z enako oddano močjo manjše dimenzije.
Napetost iz sekundarnega navitja močnostnega transformatorja (lahko jih je več) gre v izhodne usmernike. Za razliko od vhodnega usmernika morajo imeti usmerniške diode sekundarnega tokokroga višjo delovno frekvenco. Schottky diode najbolje delujejo v tem delu vezja. Njihove prednosti pred običajnimi diodami so:
- visoka delovna frekvenca;
- manjša kapacitivnost p-n spoja;
- nizek padec napetosti.
Namen izhodnega filtra stikalnega napajalnika je zmanjšati valovanje popravljene izhodne napetosti na potrebni minimum. Ker je frekvenca valovanja veliko višja od omrežne napetosti, ni potrebe po visoki kapacitivnosti in induktivnosti v tuljavah.
Področje uporabe impulznega napajalnika
Namesto tradicionalnih transformatorskih s polprevodniškimi stabilizatorji se v večini primerov uporabljajo impulzni napetostni pretvorniki. Ob enaki moči so za inverterje značilne manjše skupne dimenzije in teža, visoka zanesljivost in kar je najpomembneje - večja učinkovitost in sposobnost delovanja v širokem razponu vhodnih napetosti. In pri primerljivih dimenzijah je največja moč pretvornika nekajkrat večja.
Na področju, kot je pretvorba enosmerne napetosti, viri impulzov skoraj nimajo druge možnosti in lahko delujejo ne samo za zmanjšanje napetosti, temveč tudi za proizvodnjo višje napetosti, organiziranje obračanja polarnosti. Visoka frekvenca pretvorbe močno olajša filtriranje in stabilizacijo izhodnih parametrov.
Majhni pretvorniki na specializiranih integriranih vezjih se uporabljajo kot polnilci za vse vrste pripomočkov, njihova zanesljivost pa je taka, da lahko življenjska doba polnilne enote večkrat preseže življenjsko dobo mobilne naprave.
12-voltni gonilniki za vklop LED svetlobnih virov prav tako temeljijo na impulznem vezju.
Kako narediti stikalni napajalnik z lastnimi rokami
Pretvorniki, zlasti močni, imajo zapleteno vezje in so na voljo za replikacijo le izkušenim radioamaterjem. Priporočamo preprosta vezja nizke porabe s specializiranimi krmilnimi čipi PWM za samosestavljanje omrežnih napajalnikov. Takšni IC imajo majhno število elementov cevi in imajo dobro preizkušena tipična stikalna vezja, ki praktično ne zahtevajo prilagajanja in uglaševanja.
Ko delate z domačimi modeli ali popravljate industrijske naprave, ne pozabite, da bo del vezja vedno pod potencialom omrežja, zato je treba upoštevati varnostne ukrepe.
Povezani članki:
