Schakelende voedingen — Algemene principes, voordelen en nadelen
Tegenwoordig is het al moeilijk om een ijzeren transformator te vinden in een huishoudelijk apparaat of voeding. In de jaren negentig begonnen ze snel in het verleden te verdwijnen en maakten ze plaats voor schakelende converters of schakelende voedingen (afgekort als SMPS).
Schakelende voedingen overtreffen transformatoren qua grootte, kwaliteit van de resulterende gelijkspanning, hebben ruime mogelijkheden om de uitgangsspanning en -stroom te regelen en zijn traditioneel uitgerust met een overbelastingsbeveiliging. En hoewel wordt aangenomen dat schakelende voedingen de belangrijkste storingsbronnen zijn in het huishoudelijke netwerk, kan hun wijdverbreide gebruik niet worden teruggedraaid.
Voeding transformator:
Schakelstroom:
Schakelende voedingen danken hun alomtegenwoordigheid aan halfgeleiderschakelaars— veldeffecttransistors En Schottky-diode… Het is de veldeffecttransistor, die samenwerkt met een smoorspoel of transformator, die het hart vormt van elke moderne schakelende voeding: in omvormers, lasmachines, ononderbroken voedingen, ingebouwde voedingen voor tv's, monitoren, enz. — tegenwoordig worden bijna overal alleen pulsconversiecircuits gebruikt.
Het algemene werkingsprincipe van een pulsomvormer is gebaseerd op de wet van elektromagnetische inductie en is hierin vergelijkbaar bij elke transformator… Het enige verschil is dat een wisselspanning met een netfrequentie van 50 Hz direct op de primaire wikkeling van een conventionele nettransformator wordt aangelegd en direct wordt omgezet (vervolgens eventueel gelijkgericht), en in een schakelende voeding de netspanning wordt eerst gelijkgericht en omgezet in gelijkstroom en vervolgens omgezet in een puls die verder kan worden verhoogd of verlaagd met behulp van een speciaal hoogfrequent (vergeleken met 50 hertz netspanning) circuit.
Een schakelend voedingscircuit omvat verschillende hoofdcomponenten: een netgelijkrichter, een schakelaar (of schakelaars), een transformator (of smoorspoel), een uitgangsgelijkrichter, een besturingseenheid en een stabilisatie- en beveiligingseenheid. De gelijkrichter, schakelaar en transformator (choke) vormen de basis van het vermogensgedeelte van de SMPS-schakeling, terwijl de elektronische blokken (waaronder de PWM-controller) tot de zogenaamde driver behoren.
De netspanning wordt dus via de gelijkrichter naar de condensator van het netfilter gevoerd, waar op deze manier een constante spanning wordt verkregen, waarvan het maximum van 305 tot 340 volt is, afhankelijk van de huidige gemiddelde waarde van de netspanning ( van 215 tot 240 volt).
De gelijkgerichte spanning wordt toegepast op de primaire wikkeling van de transformator (smoorspoel) in de vorm van pulsen, waarvan de herhalingsfrequentie meestal wordt bepaald door het sleutelbesturingscircuit en waarvan de duur wordt bepaald door de gemiddelde stroom van de geleverde belasting .
Een schakelaar met een frequentie van enkele tientallen tot enkele honderden kilohertz verbindt en ontkoppelt de primaire wikkeling van de transformator of smoorspoel met de filtercondensator, waardoor de magnetisatie van de transformator of smoorspoel wordt omgekeerd.
Het verschil tussen een transformator en een smoorspoel: bij een smoorspoel zijn de fasen van het opslaan van energie van de bron naar de kern en het overbrengen van energie van de kern via de wikkeling naar de belasting in de tijd gescheiden, terwijl dit bij een transformator gelijktijdig gebeurt.
De smoorspoel wordt gebruikt in omvormers zonder galvanische scheiding van topologieën: boost - boost, step - down, evenals in omvormers met galvanische scheiding van omgekeerde topologie. De transformator wordt gebruikt in omvormers met galvanische scheiding van de volgende topologieën: brug-volle-brug, halve-brug-halve-brug, push-pull-push-pull, vooruit-vooruit.
De schakelaar kan een enkele zijn (buck-up-converter, forward-converter, boost- of buck-converter zonder galvanische scheiding) of het vermogensgedeelte kan meerdere schakelaars bevatten (halve brug, brug, push).
Het regelcircuit van de schakelaar(s) ontvangt van de uitgang van de bron een terugkoppelsignaal voor spanning of voor spanning en stroom van de belasting, in overeenstemming met de waarde van dit signaal, de breedte (duty cycle) van de puls, die regelt de duur van de geleidende toestand van de schakelaar wordt automatisch aangepast.
De uitvoer is als volgt gerangschikt. Van de secundaire wikkeling van de transformator of inductor, of van de enkele wikkeling van de inductor (als we het hebben over een omvormer zonder galvanische isolatie), via de Schottky-diodes van een dubbelfasige gelijkrichter, wordt een gepulste spanning aan het filter geleverd condensator.
Er is ook een spanningsdeler waarvan het spanningsterugkoppelingssignaal wordt ontvangen en er kan ook een stroomsensor aanwezig zijn. De belasting is verbonden met de filtercondensator via een extra laagdoorlaatfilter of rechtstreeks.