L'alimentatore switching viene utilizzato per convertire la tensione di ingresso al valore richiesto dagli elementi interni del dispositivo. Un altro nome per le sorgenti pulsate, che è diventato molto diffuso, è inverter.
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Cos'è?
L'inverter è una fonte di alimentazione secondaria che utilizza la doppia conversione della tensione di ingresso CA. Il valore dei parametri di uscita viene regolato modificando la durata (ampiezza) degli impulsi e, in alcuni casi, la frequenza della loro ripetizione. Questo tipo di modulazione è chiamato modulazione dell'ampiezza dell'impulso.
Il principio di funzionamento di un alimentatore switching
Il funzionamento dell'inverter si basa sulla rettifica della tensione primaria e sulla sua ulteriore trasformazione in una sequenza di impulsi ad alta frequenza. In questo differisce da un trasformatore convenzionale.La tensione di uscita del blocco viene utilizzata per formare un segnale di feedback negativo, che consente di regolare i parametri degli impulsi. Controllando l'ampiezza degli impulsi, è facile organizzare la stabilizzazione e la regolazione dei parametri di uscita, tensione o corrente. Cioè, può essere sia uno stabilizzatore di tensione che uno stabilizzatore di corrente.
Il numero e la polarità dei valori di uscita possono essere molto diversi a seconda di come funziona l'alimentatore switching.
Varietà di alimentatori
Sono stati utilizzati diversi tipi di inverter, che si differenziano per schema costruttivo:
- senza trasformatore;
- trasformatore.
I primi differiscono in quanto la sequenza di impulsi va direttamente al raddrizzatore di uscita e al filtro di livellamento del dispositivo. Un tale schema ha un minimo di componenti. Un semplice inverter include un circuito integrato specializzato: un generatore di larghezza di impulso.
Tra gli svantaggi dei dispositivi senza trasformatore, il principale è che non hanno isolamento galvanico dalla rete e possono rappresentare un rischio di scossa elettrica. Inoltre, di solito hanno una bassa potenza e danno solo 1 tensione di uscita.
Più comuni sono i dispositivi a trasformatore in cui un treno di impulsi ad alta frequenza viene alimentato all'avvolgimento primario del trasformatore. Possono esserci tutti gli avvolgimenti secondari che desideri, il che consente di generare diverse tensioni di uscita. Ogni avvolgimento secondario è caricato con il proprio raddrizzatore e filtro levigante.
Un potente alimentatore switching per qualsiasi computer è costruito secondo uno schema che ha un'elevata affidabilità e sicurezza. Per il segnale di feedback, qui viene utilizzata una tensione di 5 o 12 volt, poiché questi valori richiedono la stabilizzazione più accurata.
L'uso di trasformatori per la conversione della tensione ad alta frequenza (decine di kilohertz invece di 50 Hz) ha permesso di ridurne molte volte dimensioni e peso e di utilizzare non ferro elettrico, ma materiali ferromagnetici ad alta forza coercitiva come materiale del nucleo ( circuito magnetico).
Anche i convertitori CC sono costruiti sulla base della modulazione della larghezza di impulso. Senza l'uso di circuiti inverter, la conversione è stata associata a grandi difficoltà.
schema PSU
Il circuito della configurazione più comune di un convertitore di impulsi comprende:
- filtro di soppressione del rumore di rete;
- raddrizzatore;
- filtro levigante;
- convertitore di larghezza di impulso;
- transistor chiave;
- trasformatore ad alta frequenza di uscita;
- raddrizzatori di uscita;
- produrre filtri individuali e di gruppo.
Lo scopo del filtro di soppressione del rumore è di ritardare le interferenze dal funzionamento del dispositivo alla rete. La commutazione di elementi a semiconduttore di potenza può essere accompagnata dalla creazione di impulsi a breve termine in un'ampia gamma di frequenze. Pertanto, qui è necessario utilizzare elementi appositamente progettati per questo scopo come condensatori passanti delle unità di filtraggio.
Il raddrizzatore viene utilizzato per convertire la tensione CA in ingresso in CC e il successivo filtro di livellamento elimina l'ondulazione della tensione rettificata.
Nel caso in cui venga utilizzato un convertitore DC/DC, il raddrizzatore e il filtro diventano superflui e il segnale di ingresso, dopo aver superato i circuiti del filtro del rumore, viene inviato direttamente al convertitore di larghezza di impulso (modulatore), abbreviato in PWM.
PWM è la parte più complessa del circuito di alimentazione a commutazione. Il suo compito include:
- generazione di impulsi ad alta frequenza;
- controllo dei parametri di uscita del blocco e correzione della sequenza di impulsi in base al segnale di feedback;
- controllo e protezione da sovraccarico.
Il segnale PWM viene inviato alle uscite di controllo di potenti transistor a chiave collegati in un circuito a ponte o semiponte. Le uscite di potenza dei transistor sono caricate sull'avvolgimento primario del trasformatore di uscita ad alta frequenza. Al posto dei tradizionali transistor bipolari, vengono utilizzati transistor IGBT o MOSFET, caratterizzati da bassa caduta di tensione attraverso le giunzioni e alta velocità. I parametri del transistor migliorati aiutano a ridurre la dissipazione di potenza con le stesse dimensioni e parametri di progettazione tecnica.
Il trasformatore di impulsi di uscita utilizza lo stesso principio di conversione di quello classico. Un'eccezione è il lavoro a una frequenza più alta. Di conseguenza, i trasformatori ad alta frequenza con la stessa potenza trasmessa hanno dimensioni inferiori.
La tensione dall'avvolgimento secondario del trasformatore di potenza (potrebbero essercene diversi) viene fornita ai raddrizzatori di uscita. A differenza del raddrizzatore di ingresso, i diodi raddrizzatori del circuito secondario devono avere una frequenza operativa maggiore.I diodi Schottky funzionano meglio in questa sezione del circuito. I loro vantaggi rispetto a quelli convenzionali:
- alta frequenza operativa;
- giunzione p-n a capacità ridotta;
- piccola caduta di tensione.
Lo scopo del filtro di uscita dell'alimentatore switching è di ridurre l'ondulazione della tensione di uscita raddrizzata al minimo richiesto. Poiché la frequenza di ripple è molto superiore a quella della tensione di rete, non sono necessari valori di capacità elevati dei condensatori e induttanza delle bobine.
Ambito dell'alimentatore switching
Nella maggior parte dei casi vengono utilizzati convertitori di tensione di commutazione al posto dei tradizionali trasformatori con stabilizzatori a semiconduttore. A parità di potenza, gli inverter hanno dimensioni e peso ridotti, elevata affidabilità e, soprattutto, maggiore efficienza e capacità di funzionare in un ampio intervallo di tensioni di ingresso. E a parità di dimensioni, la potenza massima dell'inverter è parecchie volte superiore.
In un settore come quello della conversione di tensione continua, le sorgenti pulsate non hanno praticamente sostituzioni alternative e sono in grado di lavorare non solo per abbassare la tensione, ma anche per generarne una maggiore, per organizzare un cambio di polarità. L'elevata frequenza di conversione facilita notevolmente il filtraggio e la stabilizzazione dei parametri di uscita.
Gli inverter di piccole dimensioni basati su circuiti integrati specializzati vengono utilizzati come caricabatterie per tutti i tipi di gadget e la loro affidabilità è tale che la durata dell'unità di ricarica può superare diverse volte il tempo di funzionamento di un dispositivo mobile.
Anche i driver di alimentazione a 12 Volt per l'accensione di sorgenti luminose a LED sono costruiti secondo un circuito pulsato.
Come realizzare un alimentatore switching con le tue mani
Gli inverter, specialmente quelli potenti, hanno circuiti complessi e sono disponibili per la ripetizione solo da radioamatori esperti. Per l'autoassemblaggio degli alimentatori di rete, possiamo consigliare semplici circuiti a bassa potenza che utilizzano chip controller PWM specializzati. Tali circuiti integrati hanno un numero ridotto di elementi di reggiatura e hanno dimostrato circuiti di commutazione tipici che praticamente non richiedono regolazione e messa a punto.
Quando si lavora con strutture fatte in casa o si riparano dispositivi industriali, è necessario ricordare che parte del circuito sarà sempre al potenziale della rete, pertanto è necessario osservare le misure di sicurezza.
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