Doğrusal güç kaynağı ile anahtarlamalı güç kaynağı arasındaki fark
Dönüşüm ilkesine göre güç kaynakları doğrusal güç kaynakları ve anahtarlamalı güç kaynakları olarak sınıflandırılabilir. Doğrusal güç kaynaklarını ve anahtarlamalı güç kaynaklarını sınıflandırdığımızda aslında AC/DC mi yoksa DC/DC mi olduğunu netleştirmemiz gerekiyor. Her ne kadar bu sınıflandırma dönüşümün ilkelerini ayırt etmeyi amaçlamaktadır. Ancak AC/DC işlevlerini yerine getiren doğrusal güç kaynakları ve anahtarlamalı güç kaynakları, AC'yi DC'ye dönüştürme işleminin tamamını gerçekleştirir ve bazı devreler DC/DC'den oluşur.
AC/DC için doğrusal güç kaynağı ve anahtarlamalı güç kaynağı
Doğrusal güç kaynaklarına doğrudan "AC/DC için doğrusal güç kaynakları" olarak atıfta bulunan birçok ders kitabı, kitap ve makale vardır. Doğrusal güç kaynağı nedir? Doğrusal güç kaynağı, önce bir transformatör aracılığıyla AC gücünün voltaj genliğini azaltır, ardından darbeli DC gücü elde etmek için bir doğrultucu devre aracılığıyla bunu düzeltir ve ardından küçük dalgalanma voltajına sahip DC voltajı elde etmek için filtreler.
AC/DC doğrusal güç kaynağının ve anahtarlamalı güç kaynağının özellikleri aşağıdaki şekilde farklıdır:
AC/DC'nin doğrusal güç kaynağı, önce bir güç frekansı transformatörü kullanılarak AC voltajıyla azaltılır ve ardından düzeltilir. Bir transformatör yoluyla voltajın düşürülmesinden sonra voltaj nispeten düşük hale gelir ve voltajın stabilizasyonu için üç terminalli voltaj regülatörü gibi güç çipleri kullanılabilir. Doğrusal güç kaynağının ayar tüpü güçlendirilmiş bir durumda çalışır, bu da yüksek ısı üretimi ve düşük verimlilik (voltaj düşüşüyle ilişkili olarak) sağlar ve büyük bir ısı emicinin eklenmesini gerektirir. Güç frekansı transformatörlerinin hacmi de nispeten büyüktür ve birden fazla voltaj çıkışı seti üretirken transformatörün hacmi daha büyük olacaktır.
AC/DC anahtarlamalı güç kaynağının ayar tüpü doyma ve kesme durumlarında çalışır, bu da düşük ısı üretimi ve yüksek verimlilik sağlar. AC/DC anahtarlamalı güç kaynağı, büyük güç frekansı transformatörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Bununla birlikte, AC/DC anahtarlamalı güç kaynağının DC çıkışı daha büyük dalgalanmalara sahip olacaktır ve bu durum, çıkış ucuna bir voltaj regülatör diyotu bağlanarak iyileştirilebilecektir. Ek olarak, anahtar tüpünün çalışması sırasında üretilen yüksek tepe darbe girişimi nedeniyle, manyetik boncukların iyileştirilmesi için devreye seri olarak bağlanması gerekir. Nispeten konuşursak, doğrusal bir güç kaynağının dalgalanması çok küçük yapılabilir. Anahtarlamalı güç kaynakları, voltaj düşürme, yükseltme ve yükseltme gibi farklı topolojik yapılar aracılığıyla elde edilebilirken, doğrusal güç kaynakları yalnızca voltaj düşürmeyi başarabilir.
İlk güç adaptörlerinin çoğu nispeten ağırdı ve dönüştürme prensipleri, dahili olarak bir güç frekansı transformatörü kullanan AC/DC doğrusal güç kaynağıydı. AC/DC doğrusal güç kaynağı, öncelikle AC voltajını azaltmak için bir transformatör kullanır. Şebekedeki gerilimi doğrudan düşüren bu tip transformatörlere Şekil 1.9'da gösterildiği gibi güç frekans transformatörü adı verilmektedir. Düşük frekanslı transformatörler olarak da bilinen güç frekansı transformatörleri, onları güç kaynaklarının anahtarlanmasında kullanılan yüksek frekanslı transformatörlerden ayırır. Güç frekansı transformatörleri geçmişte geleneksel güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılıyordu. Şebeke elektriği olarak da bilinen enerji endüstrisindeki şebeke elektriğinin standart frekansı ("şebeke elektriği" esas olarak şehirlerde yaşayanlar tarafından kullanılan güç kaynağını ifade eder), Çin'de 50Hz ve diğer ülkelerde 60Hz'dir. Alternatif akımın gerilimini bu frekansta değiştirebilen transformatöre güç frekans transformatörü denir. Güç frekansı transformatörleri, yüksek frekans transformatörlerine kıyasla genellikle daha büyük boyuttadır. Bu nedenle, güç frekansı transformatörleriyle uygulanan AC/DC doğrusal güç kaynağının hacmi nispeten büyüktür.
AC/DC anahtarlamalı güç kaynağı, yaklaşık bir DC yüksek voltajı oluşturmak için önce AC güç kaynağının düzeltilmesini ve filtrelenmesini ve ardından bir transformatör aracılığıyla dönüştürülen yüksek frekanslı darbeler üretmek için anahtarın kontrol edilmesini gerektirir. AC/DC anahtarlamalı güç kaynağı daha yüksek verime ve daha küçük boyuta sahiptir. Küçük boyutunun önemli bir nedeni, yüksek frekanslı transformatörlerin, güç frekanslı transformatörlerden çok daha küçük olmasıdır. Frekans ne kadar yüksek olursa transformatör hacmi neden o kadar küçük olur?
Transformatör çekirdek malzemelerinin doyma sınırları vardır, dolayısıyla tepe manyetik alan kuvvetinin de sınırları vardır. Akım, manyetik alan kuvveti ve alternatif akımın manyetik akısının tümü sinüzoidal sinyallerdir. Aynı genliğe sahip sinüs sinyalleri için frekans ne kadar yüksek olursa, sinyalin "değişim hızının" zirvesinin de o kadar büyük olacağını biliyoruz (sinüs sinyalinin sıfırı geçtiği an "değişim hızının" zirvesidir, oran ise "değişim hızının" zirvesidir). sinyalin zirvesindeki değişimin miktarı 0'dır). Bu arada indüklenen voltaj, manyetik akının değişim hızıyla belirlenir. Dolayısıyla, tur başına aynı voltaj için, frekans ne kadar yüksek olursa, gereken tepe manyetik akı da o kadar küçük olur. Ancak yukarıda da belirttiğimiz gibi manyetik alan şiddetinin tepe değeri sınırlıdır. Bu nedenle manyetik akı gereksinimi azaltılırsa demir çekirdeğin kesit alanı azaltılabilir. Yukarıdaki analiz tur başına aynı voltajı varsayar. Ve dönüş başına voltaj güçle ilgilidir. Bu nedenle aynı gücü üstleniyoruz. Güç daha küçükse, akım da daha küçükse ve izin verilen tel daha inceyse ve direnç biraz daha yüksekse, dönüş sayısının artmasına izin verilir. Bu şekilde tur başına voltaj da azaltılır ve bu da manyetik akı gereksinimini azaltabilir. Daha sonra sesi azaltın. Ayrıca yukarıdaki analizde malzemenin sabit olduğu, yani doyma manyetik alan kuvvetinin sabit olduğu varsayılmaktadır. Elbette doygunluk manyetik alan kuvveti daha yüksek olan malzemeler kullanılırsa hacim de azaltılabilir. Onlarca yıl önceki aynı büyüklükteki transformatörlerle karşılaştırıldığında, günümüzdeki transformatörlerin çok daha küçük hacimlere sahip olduğunu biliyoruz çünkü artık yeni demir çekirdekli malzemeler kullanılıyor.
Maxwell denklemine göre transformatör bobininde indüklenen elektromotor kuvvet E
Yani, manyetik akı yoğunluğunun B zaman içindeki değişim oranının N tel boyunca integrali Ac alanıyla döner.
Transformatörler için, transformatörün primer tarafında indüklenen elektromotor kuvvet E ve giriş tarafına uygulanan gerilim U doğrusal bir ilişki olarak düşünülebilir. Transformatörün giriş tarafındaki U genliğinin değişmediği varsayımına dayanarak, E genliğinin de değişmeden kaldığı düşünülebilir.
Ek olarak, her manyetik çekirdek tipinin manyetik akı yoğunluğu B için bir üst sınır vardır. Yüksek frekanslı uygulamalar için kullanılan ferrit Tesla'nın onda birkaçı civarındayken, güç frekansı uygulamaları için kullanılan demir çekirdek küçük bir farkla birden biraz daha yüksek bir seviyededir.
Bu nedenle, frekans arttığında, manyetik akı yoğunluğu B'deki tepe değişikliğinin anlamlı olmaması koşuluyla, her döngü sırasında manyetik akı yoğunluğu dB/dt'deki değişim oranı önemli ölçüde artar. Bu nedenle, aynı indüklenen elektromotor kuvvet E'yi elde etmek için daha küçük Ac veya N kullanılabilir. Ac'deki bir azalma, manyetik çekirdeğin kesit alanında bir azalma anlamına gelir; N'deki bir azalma, manyetik çekirdeğin boş penceresinin alanının azaltılabileceği anlamına gelir; bunların her ikisi de, manyetik çekirdeğin daha küçük bir hacminin elde edilmesine yardımcı olabilir. Yüksek frekanslı bir transformatörün kesit alanı daha küçüktür ve bobindeki sarım sayısı azalır, bu da daha küçük bir hacimle sonuçlanır.
Anahtarlamalı güç kaynağının ayar tüpü doyma ve kesme durumlarında çalışır, bu da düşük ısı üretimi ve yüksek verimlilik sağlar. AC/DC anahtarlamalı güç kaynakları, büyük güç frekansı transformatörlerinin kullanılmasını gerektirmez. Bununla birlikte, anahtarlamalı güç kaynağının DC çıkışında büyük dalgalanmalar olacaktır. Ek olarak, anahtarlama transistörünün çalışması sırasında oluşan büyük darbe darbe girişimi nedeniyle, güç kaynağının kalitesini artırmak için devredeki güç kaynağının filtrelenmesi de gereklidir. Nispeten konuşursak, doğrusal güç kaynaklarında yukarıdaki kusurlar yoktur ve dalgalanmaları çok küçük olabilir.
