Разница между линейным источником питания и импульсным источником питания
По принципу преобразования источники питания можно разделить на линейные и импульсные. Когда мы классифицируем линейные источники питания и импульсные источники питания, нам фактически необходимо уточнить, являются ли они переменным/постоянным или постоянным/постоянным током. Хотя данная классификация направлена на выделение принципов трансформации. Но являются ли линейные и импульсные источники питания, реализующие функции переменного/постоянного тока, полным процессом преобразования переменного тока в постоянный, а некоторые схемы состоят из постоянного/постоянного тока.
Линейный источник питания и импульсный источник питания переменного/постоянного тока
Существует множество учебников, книг и статей, в которых линейные источники питания прямо называются «линейными источниками питания переменного/постоянного тока». Что такое линейный источник питания? Линейный источник питания сначала уменьшает амплитуду напряжения переменного тока через трансформатор, затем выпрямляет его через схему выпрямителя для получения импульсной мощности постоянного тока, а затем фильтрует ее для получения постоянного напряжения с небольшими пульсациями.
Характеристики линейного источника питания переменного/постоянного тока и импульсного источника питания различаются следующим образом:
Линейный источник питания переменного/постоянного тока сначала уменьшается на напряжение переменного тока с помощью трансформатора промышленной частоты, а затем выпрямляется. После снижения напряжения через трансформатор напряжение стало относительно низким, и для стабилизации напряжения можно использовать силовые микросхемы, такие как трехконтактный стабилизатор напряжения. Регулировочная трубка линейного источника питания работает в усиленном состоянии, что приводит к высокому тепловыделению и низкому КПД (связанному с падением напряжения), что требует добавления громоздкого радиатора. Объем трансформаторов промышленной частоты также относительно велик, и при производстве нескольких наборов выходного напряжения объем трансформатора будет больше.
Регулировочная трубка импульсного источника питания переменного/постоянного тока работает в состояниях насыщения и отключения, что приводит к низкому выделению тепла и высокому КПД. Импульсный источник питания переменного/постоянного тока устраняет необходимость в громоздких трансформаторах промышленной частоты. Однако на выходе постоянного тока импульсного источника питания переменного/постоянного тока будут большие пульсации, которые можно уменьшить, подключив диод стабилизатора напряжения на выходном конце. Кроме того, из-за высоких пиковых импульсных помех, возникающих во время работы трубки переключателя, для улучшения работы магнитные шарики необходимо подключать последовательно в цепь. Условно говоря, пульсации линейного источника питания можно сделать очень маленькими. Импульсные источники питания могут быть реализованы с помощью различных топологических структур, таких как понижение напряжения, повышение и повышение напряжения, в то время как линейные источники питания могут обеспечивать только снижение напряжения.
Многие ранние адаптеры питания были относительно тяжелыми, и их принцип преобразования заключался в линейном источнике питания переменного/постоянного тока, в котором внутри использовался трансформатор промышленной частоты. Линейный источник питания переменного/постоянного тока сначала использует трансформатор для снижения напряжения переменного тока. Трансформатор такого типа, непосредственно снижающий напряжение в сети, называется трансформатором промышленной частоты, как показано на рисунке 1.9. Трансформаторы силовой частоты, также называемые низкочастотными трансформаторами, отличают их от высокочастотных трансформаторов, используемых в импульсных источниках питания. Трансформаторы промышленной частоты широко использовались в традиционных источниках питания в прошлом. Стандартная частота электросети в электроэнергетике, также известная как электросеть («основная мощность» относится к источнику питания, используемому в основном жителями городов), составляет 50 Гц в Китае и 60 Гц в других странах. Трансформатор, способный изменять напряжение переменного тока на этой частоте, называется трансформатором промышленной частоты. Трансформаторы промышленной частоты обычно больше по размеру по сравнению с высокочастотными трансформаторами. Таким образом, объем линейного источника питания переменного/постоянного тока, реализованного с помощью трансформаторов промышленной частоты, относительно велик.
Импульсный источник питания переменного/постоянного тока требует сначала выпрямления и фильтрации источника питания переменного тока для формирования приблизительного высокого напряжения постоянного тока, а затем управления переключателем для генерации высокочастотных импульсов, которые преобразуются через трансформатор. Импульсный источник питания переменного/постоянного тока имеет более высокий КПД и меньший размер. Одной из важных причин его небольшого размера является то, что высокочастотные трансформаторы намного меньше трансформаторов промышленной частоты. Почему чем выше частота, тем меньше объём трансформатора?
Материалы сердечника трансформатора имеют пределы насыщения, поэтому существуют пределы пиковой напряженности магнитного поля. Ток, напряженность магнитного поля и магнитный поток переменного тока являются синусоидальными сигналами. Мы знаем, что для синусоидальных сигналов одинаковой амплитуды, чем выше частота, тем больше пик «скорости изменения» сигнала (момент, когда синусоидальный сигнал пересекает ноль, является пиком «скорости изменения», тогда как скорость изменения на пике сигнала равно 0). При этом индуцированное напряжение определяется скоростью изменения магнитного потока. Таким образом, для одного и того же напряжения на виток, чем выше частота, тем меньший пиковый магнитный поток требуется. Но, как уже говорилось выше, пиковое значение напряженности магнитного поля ограничено. Следовательно, если снизить требования к магнитному потоку, площадь поперечного сечения железного сердечника может быть уменьшена. Приведенный выше анализ предполагает одинаковое напряжение на виток. А напряжение на виток связано с мощностью. Поэтому, предполагая одну и ту же мощность. Если мощность меньше, ток тоже меньше, допустимый провод тоньше, а сопротивление немного выше, допускается увеличить количество витков. Таким образом, напряжение на виток также снижается, что также может снизить требования к магнитному потоку. Затем уменьшите громкость. Кроме того, приведенный выше анализ предполагает, что материал является постоянным, то есть напряженность магнитного поля насыщения постоянна. Конечно, если использовать материалы с более высокой напряженностью магнитного поля насыщения, объем также можно уменьшить. Мы знаем, что по сравнению с трансформаторами того же размера, что были десятилетия назад, нынешние трансформаторы имеют гораздо меньшие объемы, поскольку теперь в них используются новые материалы с железным сердечником.
Согласно уравнению Максвелла, индуцированная электродвижущая сила E в катушке трансформатора равна
То есть интеграл скорости изменения магнитной индукции B во времени по N виткам провода площадью Ac.
Для трансформаторов индуцированная электродвижущая сила E на первичной стороне трансформатора и напряжение U, приложенное на входной стороне, можно рассматривать как линейную зависимость. Полагая, что амплитуда U на входной стороне трансформатора остается неизменной, можно считать, что амплитуда E также остается неизменной.
Кроме того, существует верхний предел плотности магнитного потока B каждого типа магнитопровода. Феррит, используемый для высокочастотных приложений, имеет плотность около нескольких десятых тесла, в то время как железный сердечник, используемый для приложений промышленной частоты, имеет уровень немного выше единицы, с небольшой разницей.
Поэтому при увеличении частоты скорость изменения плотности магнитного потока dB/dt в течение каждого цикла существенно возрастает при условии, что пиковое изменение плотности магнитного потока B не является значительным. Следовательно, для достижения той же наведенной электродвижущей силы E можно использовать меньшие Ac или N. Уменьшение Ac означает уменьшение площади поперечного сечения магнитного сердечника; Уменьшение N означает, что площадь пустого окна магнитопровода может быть уменьшена, и то и другое может способствовать достижению меньшего объема магнитопровода. Площадь поперечного сечения высокочастотного трансформатора меньше, а количество витков в катушке уменьшается, в результате чего получается меньший объем.
Регулировочная трубка импульсного источника питания работает в состояниях насыщения и отключения, что приводит к низкому выделению тепла и высокому КПД. Импульсные источники питания переменного/постоянного тока не требуют использования мощных трансформаторов промышленной частоты. Однако на выходе постоянного тока импульсного источника питания будут накладываться большие пульсации. Кроме того, из-за больших пиковых импульсных помех, возникающих при работе переключающего транзистора, необходимо также фильтровать питание в схеме для улучшения качества питания. Условно говоря, линейные источники питания не имеют вышеперечисленных недостатков, и их пульсации могут быть очень малы.
