Het verschil tussen lineaire voeding en schakelende voeding
Volgens het conversieprincipe kunnen voedingen worden ingedeeld in lineaire voedingen en schakelende voedingen. Wanneer we lineaire voedingen en schakelende voedingen classificeren, moeten we eigenlijk duidelijk maken of het om AC/DC of DC/DC gaat. Hoewel deze classificatie gericht is op het onderscheiden van de principes van transformatie. Maar zijn lineaire voedingen en schakelende voedingen die AC/DC-functies realiseren een compleet proces van het omzetten van AC naar DC, en sommige circuits zijn samengesteld uit DC/DC.
Lineaire voeding en schakelende voeding voor AC/DC
Er zijn veel leerboeken, boeken en artikelen die rechtstreeks naar lineaire stroombronnen verwijzen als "lineaire stroombronnen voor AC/DC". Wat is een lineaire krachtbron? Lineaire voeding vermindert eerst de spanningsamplitude van wisselstroom via een transformator, corrigeert deze vervolgens via een gelijkrichtercircuit om gepulseerde gelijkstroom te verkrijgen, en filtert deze vervolgens om gelijkspanning met een kleine rimpelspanning te verkrijgen.
De kenmerken van AC/DC lineaire voeding en schakelende voeding zijn als volgt verschillend:
De lineaire voeding van AC/DC wordt eerst verminderd met AC-spanning met behulp van een netfrequentietransformator en vervolgens gelijkgericht. Na spanningsreductie via een transformator is de spanning relatief laag geworden en kunnen stroomchips zoals een spanningsregelaar met drie aansluitingen worden gebruikt voor spanningsstabilisatie. De afstelbuis van de lineaire voeding werkt in versterkte toestand, wat resulteert in een hoge warmteontwikkeling en een laag rendement (gerelateerd aan de spanningsval), waardoor de toevoeging van een omvangrijk koellichaam vereist is. Het volume van vermogensfrequentietransformatoren is ook relatief groot, en bij het produceren van meerdere sets spanningsuitgangen zal het transformatorvolume groter zijn.
De aanpassingsbuis van de AC/DC-schakelende voeding werkt in verzadigings- en uitschakeltoestanden, wat resulteert in een lage warmteontwikkeling en een hoog rendement. De AC/DC-schakelende voeding elimineert de noodzaak voor omvangrijke netfrequentietransformatoren. De DC-uitgang van de AC/DC-schakelende voeding zal echter grotere rimpelingen hebben, wat kan worden verbeterd door een spanningsregelaardiode aan de uitgangszijde aan te sluiten. Bovendien moeten, vanwege de hoge piekpulsinterferentie die wordt gegenereerd tijdens de werking van de schakelbuis, magnetische kralen in serie in het circuit worden aangesloten om dit te verbeteren. Relatief gezien kan de rimpel van een lineaire voeding heel klein worden gemaakt. Schakelende voedingen kunnen worden bereikt via verschillende topologische structuren, zoals spanningsreductie, boost en boost, terwijl lineaire voedingen alleen spanningsreductie kunnen bereiken.
Veel vroege stroomadapters waren relatief zwaar en hun conversieprincipe was een AC/DC lineaire voeding, die intern gebruik maakte van een netfrequentietransformator. AC/DC lineaire voeding gebruikt eerst een transformator om de wisselspanning te verlagen. Dit type transformator, dat de spanning in het lichtnet rechtstreeks verlaagt, wordt een netfrequentietransformator genoemd, zoals weergegeven in figuur 1.9. Netfrequentietransformatoren, ook wel laagfrequente transformatoren genoemd, onderscheiden ze van hoogfrequente transformatoren die worden gebruikt in schakelende voedingen. Netfrequentietransformatoren werden in het verleden veel gebruikt in traditionele stroombronnen. De standaardfrequentie van netstroom in de energiesector, ook wel netstroom genoemd ("netstroom" verwijst naar de stroomvoorziening die voornamelijk door inwoners in steden wordt gebruikt), is 50 Hz in China en 60 Hz in andere landen. Een transformator die de spanning van wisselstroom op deze frequentie kan veranderen, wordt een vermogensfrequentietransformator genoemd. Netfrequentietransformatoren zijn over het algemeen groter van formaat dan hoogfrequente transformatoren. Het volume van de AC/DC lineaire voeding geïmplementeerd met netfrequentietransformatoren is dus relatief groot.
AC/DC-schakelende voeding vereist eerst het gelijkrichten en filteren van de AC-voeding om een geschatte DC-hoogspanning te vormen, en vervolgens het besturen van de schakelaar om hoogfrequente pulsen te genereren, die via een transformator worden getransformeerd. AC/DC-schakelende voeding heeft een hoger rendement en een kleiner formaat. Een belangrijke reden voor het kleine formaat is dat hoogfrequente transformatoren veel kleiner zijn dan netfrequentietransformatoren. Waarom is hoe hoger de frequentie, hoe kleiner het transformatorvolume?
Transformatorkernmaterialen hebben verzadigingslimieten, dus er zijn grenzen aan de maximale magnetische veldsterkte. De stroom, magnetische veldsterkte en magnetische flux van wisselstroom zijn allemaal sinusoïdale signalen. We weten dat voor sinussignalen met dezelfde amplitude, hoe hoger de frequentie, hoe groter de piek van de "veranderingssnelheid" van het signaal (het moment dat het sinussignaal de nul passeert is de piek van de "veranderingssnelheid", terwijl de snelheid van de verandering op de piek van het signaal is 0). Ondertussen wordt de geïnduceerde spanning bepaald door de snelheid waarmee de magnetische flux verandert. Dus voor dezelfde spanning per winding geldt: hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de vereiste magnetische piekflux. Maar zoals hierboven vermeld, is de piekwaarde van de magnetische veldintensiteit beperkt. Daarom kan, als de magnetische fluxvereiste wordt verminderd, het dwarsdoorsnedeoppervlak van de ijzeren kern worden verminderd. In de bovenstaande analyse wordt uitgegaan van dezelfde spanning per winding. En de spanning per beurt is gerelateerd aan vermogen. Daarom veronderstellen we dezelfde kracht. Als het vermogen kleiner is, de stroom ook kleiner is en de toegestane draad dunner is en de weerstand iets hoger is, mag het aantal windingen worden vergroot. Op deze manier wordt ook de spanning per winding verlaagd, wat ook de magnetische fluxbehoefte kan verminderen. Verlaag vervolgens het volume. Ook wordt er in de bovenstaande analyse van uitgegaan dat het materiaal constant is, dat wil zeggen dat de magnetische verzadigingsveldsterkte constant is. Als materialen met een hogere magnetische veldsterkte worden gebruikt, kan het volume uiteraard ook worden verminderd. We weten dat transformatoren, vergeleken met transformatoren van tientallen jaren geleden van dezelfde grootte, tegenwoordig veel kleinere volumes hebben omdat ze nu nieuwe ijzeren kernmaterialen gebruiken.
Volgens de vergelijking van Maxwell is de geïnduceerde elektromotorische kracht E in de transformatorspoel gelijk aan:
Dat wil zeggen de integraal van de veranderingssnelheid van de magnetische fluxdichtheid B in de loop van de tijd over N draadwindingen met een oppervlak van Ac.
Voor transformatoren kunnen de geïnduceerde elektromotorische kracht E aan de primaire zijde van de transformator en de spanning U die aan de ingangszijde wordt aangelegd, als een lineair verband worden beschouwd. Ervan uitgaande dat de amplitude van U aan de ingangszijde van de transformator onveranderd blijft, kan worden aangenomen dat de amplitude van E ook onveranderd blijft.
Bovendien is er een bovengrens voor de magnetische fluxdichtheid B van elk type magnetische kern. Het ferriet dat wordt gebruikt voor hoogfrequente toepassingen bedraagt ongeveer een paar tienden van een Tesla, terwijl de ijzeren kern die wordt gebruikt voor hoogfrequente toepassingen ongeveer een niveau heeft dat iets groter is dan één, met een klein verschil.
Daarom neemt, wanneer de frequentie toeneemt, de mate van verandering in de magnetische fluxdichtheid dB/dt tijdens elke cyclus significant toe, op voorwaarde dat de piekverandering in de magnetische fluxdichtheid B niet significant is. Daarom kan een kleinere Ac of N worden gebruikt om dezelfde geïnduceerde elektromotorische kracht E te bereiken. Een afname van Ac betekent een afname van het dwarsdoorsnedeoppervlak van de magnetische kern; Een afname van N betekent dat het oppervlak van het lege venster van de magnetische kern kan worden verkleind, wat beide kan helpen een kleiner volume van de magnetische kern te bereiken. Het dwarsdoorsnedeoppervlak van een hoogfrequente transformator is kleiner en het aantal windingen in de spoel neemt af, wat resulteert in een kleiner volume.
De instelbuis van de schakelende voeding werkt in verzadigings- en uitschakeltoestanden, wat resulteert in een lage warmteontwikkeling en een hoog rendement. AC/DC-schakelende voedingen vereisen geen gebruik van grote frequentietransformatoren. Op de DC-uitgang van de schakelende voeding zijn echter grote rimpelingen aangebracht. Bovendien is het, vanwege de grote piekpulsinterferentie die wordt gegenereerd tijdens de werking van de schakeltransistor, ook noodzakelijk om de voeding in het circuit te filteren om de kwaliteit van de voeding te verbeteren. Relatief gesproken hebben lineaire stroombronnen de bovengenoemde gebreken niet, en hun rimpel kan erg klein zijn.
