Què és una font d’alimentació de commutació i en què es diferencia d’un analògic convencional

En molts aparells elèctrics, el principi d’implementació de la potència secundària s’ha aplicat des de fa temps mitjançant l’ús de dispositius addicionals, que tenen la funció de subministrar electricitat a circuits que necessiten energia de certs tipus de tensió, freqüència, corrent ...

Per això, es creen elements addicionals: fonts d'alimentaciótransformant la tensió d’un tipus en un altre. Poden ser:

• integrat en el cas del consumidor, com en molts dispositius de microprocessador;

• o elaborats per mòduls separats amb cables de connexió, similars a un carregador convencional en un telèfon mòbil.

En l'enginyeria elèctrica moderna, existeixen dos principis de conversió d'energia per als consumidors elèctrics basats en:

1. l’ús de dispositius transformadors analògics per transmetre potència al circuit secundari;

2. fonts d'alimentació de commutació.

Tenen diferències fonamentals en el seu disseny, treballen diferents tecnologies.

Alimentacions del transformador

Inicialment, només es van crear aquests dissenys. Canvien l’estructura de tensió a causa del funcionament d’un transformador de potència alimentat des d’una xarxa domèstica de 220 volts, en què disminueix l’amplitud de l’harmònic sinusoïdal, després s’envia a un dispositiu rectificador format per díodes de potència, que normalment es connecten segons el circuit del pont.

Després d'això, la tensió d'ondulació es suavitza en paral·lel mitjançant una capacitança seleccionada segons el valor de la potència admissible i estabilitzada per un circuit semiconductor amb transistors de potència.

Canviant la posició de les resistències d’afinació al circuit d’estabilització, és possible ajustar la tensió als terminals de sortida.

Fonts d'alimentació en commutació (UPS)

Aquests desenvolupaments van aparèixer en nombroses quantitats fa diverses dècades i van començar a gaudir de popularitat creixent en els dispositius elèctrics a causa de:

• la disponibilitat de completar una base elemental comuna;

• fiabilitat en execució;

• les possibilitats d'ampliar el rang de treball de les tensions de sortida.

Gairebé totes les fonts d’alimentació de commutació difereixen lleugerament pel seu disseny i funcionen segons un esquema propi d’altres dispositius.

Les principals parts de les fonts d'alimentació inclouen:

• un rectificador de xarxa muntat a partir de: estrangulacions d’entrada, un filtre electromecànic que proporciona la possibilitat d’abandonar-se de la interferència i l’aïllament d’estètiques amb condensadors, un fusible de xarxa i un pont de díodes;

• capacitat de filtratge acumulat;

• transistor de poder clau;

• oscil·lador mestre;

• circuit de retroalimentació realitzat en transistors;

• optocopiador;

• font d'alimentació de commutació, a partir del bobinatge secundari del voltatge subministrat per a la seva conversió en un circuit de potència;

• díodes rectificadors del circuit de sortida;

• circuits de control de la tensió de sortida, per exemple, 12 volts amb posada a punt en un optopuple i transistors;

• condensadors de filtre;

• disparats de potència, realitzant el paper de correcció de tensió i els seus diagnòstics a la xarxa;

• connectors de sortida.

A la imatge es mostra un exemple de placa electrònica d’una font d’alimentació de commutació similar amb una breu designació de la base d’elements.

Com funciona una font d’alimentació de commutació

L’alimentació de commutació produeix una tensió d’alimentació estabilitzada mitjançant l’ús dels principis d’interacció dels elements del circuit inversor.

La tensió de xarxa de 220 volts es subministra a través dels cables connectats al rectificador. La seva amplitud és suavitzada per un filtre capacitiu a causa de l'ús de condensadors que resisteixen pics de l'ordre de 300 volts i està separat per un filtre d'interferències.

Entrada pont de díodes rectifica els sinusoides que hi passen, que són convertits per un circuit de transistor en polsos d’alta freqüència i forma rectangular amb un cicle de treball determinat. Es poden convertir:

1. amb separació galvànica de la xarxa d’alimentació dels circuits de sortida;

2. sense realitzar aquesta desmentició.

Font d'alimentació de commutació aïllada

En aquest cas, els senyals d’alta freqüència s’envien a un transformador d’impulsos, realitzant un aïllament galvànic dels circuits. A causa de l'augment de la freqüència, l'eficiència d'utilitzar un transformador augmenta, les dimensions del seu circuit magnètic i el seu pes es redueixen. Molt sovint, els ferromagnets s’utilitzen per al material d’aquest nucli i l’acer elèctric pràcticament no s’utilitza en aquests dispositius. També contribueix a minimitzar el disseny global.

A la imatge es mostra una de les versions del circuit d’alimentació de commutació amb aïllament del transformador dels circuits.

En aquests dispositius, hi ha tres cadenes interconnectades:

1. Controlador PWM;

2. una cascada de claus d’alimentació;

3. transformador de pols.

Com funciona un controlador PWM?

Un controlador és un dispositiu que controla un procés. A la unitat d'alimentació que es considera, és el procés de convertir la modulació d'amplada de pols. Es basa en el principi de generar impulsos de la mateixa freqüència, però amb diferents temps de commutació.

El subministrament d’impuls correspon a la designació d’una unitat lògica i l’absència correspon a zero. A més, són iguals en magnitud i freqüència (tenen el mateix període d’oscil·lació T). La durada de l’estat d’encesa de la unitat i la seva relació amb el canvi de període i permeten controlar el funcionament dels circuits electrònics.

Els canvis típics de les seqüències SHIP es mostren al gràfic.

Els controladors solen crear aquests polsos amb una freqüència de 30: 60 kHz.

Un exemple és un controlador fabricat en un xip TL494. Per ajustar la freqüència de generació dels seus polsos, s’utilitza un circuit format per resistències amb condensadors.

Cascada de treball de les claus d’alimentació

Consta de transistors potents que es seleccionen entre els models bipolars, de camp o IGBT. Es pot crear un sistema de control individual per a altres transistors de baix consum o controladors integrats.

Les tecles d'alimentació es poden activar de diverses maneres:

• paviment;

• mig pont;

• amb un punt mig.

Transformador de pols

Els bobinatges primaris i secundaris muntats al voltant d’un nucli magnètic fet de ferrita o alifè poden transmetre de forma fiable pulsacions d’alta freqüència amb freqüències de fins a 100 kHz.

El seu treball es complementa amb cadenes de filtres, estabilitzadors, díodes i altres components.

Alimentació de commutació sense aïllament galvànic

A les fonts d'alimentació de commutació dissenyades segons algorismes que exclouen l'aïllament galvànic, no s'utilitza un transformador d'aïllament d'alta freqüència i el senyal es dirigeix ​​directament al filtre de pas baix. A continuació es mostra un principi similar de funcionament del circuit.

Característiques d’estabilització de tensió de sortida

Totes les fonts d’alimentació de commutació incorporen elements que proporcionen feedback negatiu amb els paràmetres de sortida. Per això, tenen una bona estabilització de la tensió de sortida en canvi de càrregues i fluctuacions a la xarxa de subministrament.

Els mètodes per implementar la retroalimentació depenen del sistema utilitzat per operar la font d’energia. Es pot realitzar en unitats que funcionen amb aïllament galvànic a causa de:

1. efecte intermedi de la tensió de sortida en un dels bobinatges d'un transformador d'impuls d'alta freqüència;

2. L’ús d’un optocoppiador.

En ambdós casos, aquests senyals controlen el cicle de treball dels polsos subministrats a la sortida del controlador PWM.

Quan s'utilitza un circuit sense aïllament galvànic, es crea una retroalimentació connectant un divisor de tensió resistent.

Avantatges de les fonts d'alimentació de commutació respecte de les analògiques convencionals

Quan es comparen els dissenys de blocs amb indicadors de rendiment iguals, les fonts d’alimentació de commutació tenen els següents avantatges:

1. pes reduït;

2. major eficiència;

3. menor cost;

4. amplitud de tensions de subministrament;

5. la presència de proteccions integrades.

1. El pes i les dimensions reduïdes de les fonts d’alimentació de commutació s’expliquen per la transició de conversions d’energia de baixa freqüència per transformadors de potència pesats i potents amb sistemes de control situats en grans radiadors de refrigeració i que funcionen en un mode lineal constant a conversions d’impulsos i tecnologies de regulació.

En augmentar la freqüència del senyal processat, es redueix la capacitança dels filtres de tensió i, en conseqüència, les seves dimensions. El seu esquema de redreçament es simplifica també fins a la transició a l'ona i mitja més simple.

2. Per als transformadors de baixa freqüència, es crea una proporció important de la pèrdua d’energia a causa de l’alliberament i la dissipació de calor en realitzar transformacions electromagnètiques.

Als blocs de pols, les majors pèrdues d’energia es creen durant els transitoris durant la commutació de cascades d’interruptors d’energia. I la resta del temps, els transistors estan en una posició estable: oberts o tancats. Amb aquesta condició, es creen totes les condicions per a la pèrdua mínima d’electricitat, quan l’eficiència pot ser del 90 ÷ 98%.

3. El preu de les fonts d'alimentació de commutació està disminuint gradualment a causa de la unificació contínua de la base de l'element, que es produeix per una àmplia gamma d'empreses completament mecanitzades amb màquines robotitzades. A més, el mode d’operació d’elements d’energia basats en claus controlades permet l’ús de components de semiconductor menys potents.

4. La tecnologia de pols permet alimentar les fonts d’alimentació des de fonts de tensió amb diferents freqüències i amplituds. D’aquesta manera, s’amplia l’abast de la seva aplicació en condicions de funcionament amb diversos estàndards d’energia elèctrica.

5. Gràcies a l’ús de mòduls semiconductors de mida digital de petita mida, és possible integrar de forma fiable les proteccions en el disseny de blocs de pols, que controlen l’aparició de corrents de curtcircuit, desconnecten les càrregues a la sortida del dispositiu i altres modes d’emergència.

Per a les fonts d'alimentació convencionals del transformador, aquestes proteccions es van crear a l'antiga base electromecànica, relé i semiconductora. L’aplicació de tecnologia digital a la majoria d’esquemes ara no té sentit. L’excepció són els casos d’aliments:

• circuits de control de baix consum d’electrodomèstics complexos;

• Dispositius de control de baixa precisió d’alta precisió, per exemple, utilitzats en equips de mesura o amb finalitats metrològiques (mesuradors digitals d’electricitat, voltímetres).

Desavantatges de les fonts d'alimentació de commutació

Interferències V / h

Atès que les fonts d'alimentació de commutació funcionen amb el principi de convertir polsos d'alta freqüència, en qualsevol disseny es produeixen interferències transmeses al medi. Això crea la necessitat de suprimir-les de diverses maneres.

En alguns casos, la cancel·lació de soroll pot ser ineficient, cosa que elimina l’ús de fonts d’alimentació de commutació per a determinats tipus d’equips digitals de precisió.

Límits de potència

Les fonts d’alimentació de commutació tenen una contraindicació per funcionar no només a càrregues elevades, sinó també baixes. Si es produeix una forta disminució del corrent fora del valor crític mínim al circuit de sortida, el circuit de posada en marxa pot fallar o la unitat emetrà un voltatge amb característiques tècniques distorsionades que no s’ajusten al rang de funcionament.

I en aquest article, llegiu reparació de fonts d'alimentació de commutació.