Jak działają obwody zasilacza impulsowego (SMPS)

SMPS to akronim słowa Switch Mode Power Supply. Nazwa wyraźnie sugeruje, że koncepcja ma coś lub całkowicie wspólnego z impulsami lub przełączaniem zastosowanych urządzeń. Dowiedzmy się, jak działają adaptery SMPS do zamiany napięcia sieciowego na niższe napięcie prądu stałego.

Zaleta topologii SMPS

W adapterach SMPS chodzi o przełączenie napięcia wejściowego sieci na uzwojenie pierwotne transformatora, tak aby uzyskać niższą wartość napięcia stałego na uzwojeniu wtórnym transformatora.

Jednak pytanie brzmi, to samo można zrobić ze zwykłym transformatorem, więc po co tak skomplikowana konfiguracja, skoro funkcjonowanie można w prosty sposób zrealizować za pomocą zwykłych transformatorów?

Cóż, koncepcja została opracowana właśnie w celu wyeliminowania użycia ciężkich i nieporęcznych transformatorów w znacznie wydajnych wersjach Obwody zasilania SMPS .

Chociaż zasada działania jest dość podobna, wyniki są bardzo różne.

Nasze napięcie sieciowe jest również napięciem pulsującym lub prądem przemiennym, które normalnie jest podawane do zwykłego transformatora w celu przeprowadzenia wymaganych konwersji, ale nie możemy zmniejszyć rozmiaru transformatora nawet przy prądzie tak niskim jak 500 mA.

Powodem tego jest bardzo niska częstotliwość występująca w naszych wejściach sieci AC.
Przy 50 Hz lub 60 Hz wartość jest niezwykle niska, jeśli chodzi o zastosowanie ich na wyjściach o wysokim prądzie stałym przy użyciu mniejszych transformatorów.

Dzieje się tak, ponieważ wraz ze spadkiem częstotliwości, straty prądów wirowych wraz z namagnesowaniem transformatora zwiększają się, co powoduje ogromne straty prądu przez ciepło, a następnie cały proces staje się bardzo nieefektywny.

Aby zrekompensować powyższe straty, stosuje się stosunkowo większe rdzenie transformatorów z odpowiednim stopniem grubości drutu, co sprawia, że ​​cała jednostka jest ciężka i nieporęczna.

Obwód zasilacza impulsowego bardzo sprytnie rozwiązuje ten problem.

Jeśli niższa częstotliwość zwiększa straty prądów wirowych, oznacza to, że wzrost częstotliwości zrobiłby dokładnie odwrotnie.

Oznacza to, że jeśli częstotliwość zostanie zwiększona, transformator mógłby być znacznie mniejszy, ale zapewniłby wyższy prąd na swoich wyjściach.

Dokładnie to robimy z plikiem Obwód SMPS . Rozumiemy funkcjonowanie za pomocą następujących punktów:

Jak działają adaptery SMPS

Na schemacie obwodu zasilacza impulsowego, wejściowy prąd przemienny jest najpierw prostowany i filtrowany, aby wytworzyć odpowiednią wielkość prądu stałego.

Powyższe napięcie stałe jest doprowadzane do konfiguracji oscylatora zawierającej tranzystor wysokiego napięcia lub mosfet, podłączony do dobrze zwymiarowanego uzwojenia pierwotnego małego transformatora ferrytowego.

Obwód staje się konfiguracją samoscylującą, która zaczyna oscylować z pewną z góry określoną częstotliwością ustawioną przez inne elementy bierne, takie jak kondensatory i rezystory.

Częstotliwość jest zwykle powyżej 50 kHz.

Ta częstotliwość indukuje równoważne napięcie i prąd na uzwojeniu wtórnym transformatora, określone przez liczbę zwojów i SWG drutu.

Ze względu na udział wysokich częstotliwości, straty prądów wirowych stają się pomijalnie małe, a wysoki prąd wyjściowy prądu stałego staje się możliwy do uzyskania dzięki mniejszym transformatorom z rdzeniem ferrytowym i stosunkowo cieńszemu uzwojeniu drutu.

Jednak napięcie wtórne również będzie miało częstotliwość pierwotną, dlatego jest ponownie prostowane i filtrowane za pomocą diody szybkiego powrotu i kondensatora o dużej wartości.

Rezultatem na wyjściu jest doskonale przefiltrowane niskie napięcie stałe, które można skutecznie wykorzystać do obsługi dowolnego obwodu elektronicznego.

We współczesnych wersjach SMPS zamiast tranzystorów na wejściu zastosowano hi-endowe układy scalone.
Układy scalone są wyposażone we wbudowany mosfet wysokiego napięcia do podtrzymywania oscylacji wysokiej częstotliwości i wiele innych funkcji zabezpieczających.

Jakie wbudowane zabezpieczenia mają SMPS

Te układy scalone mają odpowiednie wbudowane obwody ochronne, takie jak ochrona przed lawinami, ochrona przed przegrzaniem i ochrona przed przepięciami wyjściowymi, a także funkcję trybu burst.

Ochrona przed lawinami zapewnia, że ​​układ scalony nie ulegnie uszkodzeniu podczas włączania prądu w pośpiechu.

Zabezpieczenie przed przegrzaniem zapewnia, że ​​układ scalony jest automatycznie wyłączany, jeśli transformator nie jest prawidłowo uzwojony i pobiera więcej prądu z układu scalonego, powodując jego niebezpieczną temperaturę.

Tryb serii to ciekawa funkcja dołączona do nowoczesnych jednostek SMPS.

Tutaj wyjściowy prąd stały jest podawany z powrotem na wejście czujnikowe układu scalonego. Jeżeli z jakiegoś powodu, zwykle z powodu złego uzwojenia wtórnego lub doboru rezystorów, napięcie wyjściowe wzrośnie powyżej pewnej zadanej wartości, układ scalony wyłącza przełączanie wejścia i pomija przełączanie na przerywane impulsy.

Pomaga to kontrolować napięcie na wyjściu, a także prąd na wyjściu.

Ta funkcja zapewnia również, że jeśli napięcie wyjściowe jest ustawione na jakiś wysoki punkt, a wyjście nie jest obciążone, układ scalony przełącza się w tryb burst, upewniając się, że urządzenie jest obsługiwane z przerwami, aż wyjście zostanie odpowiednio obciążone, oszczędza to moc urządzenia gdy znajduje się w stanie czuwania lub gdy wyjście nie działa.

Sprzężenie zwrotne z sekcji wyjściowej do układu scalonego jest realizowane przez sprzęgacz optyczny, dzięki czemu wyjście pozostaje z dala od wejściowego prądu przemiennego o wysokim napięciu, co pozwala uniknąć niebezpiecznych wstrząsów.