Ako funguje skutočný programovateľný jednosmerný napájací zdroj?

Prehľad pracovných metód napájania

 

Modul usmerňovacieho obvodu premieňa striedavé napätie z transformátora na unipolárne striedavé napätie. Potom modul filtra premení unipolárne striedavé napätie na nedokonalé jednosmerné napätie s efektom zvlnenia.

Regulátor napätia upravuje výstupné napätie na požadovanú úroveň a vykonáva ďalšie filtrovanie, aby sa dosiahol konštantný výstup jednosmerného napätia.

 

Tieto obvodové moduly obsahujú veľa komponentov, z ktorých žiadny nie je ideálny. Kondenzátory a tlmivky majú parazitný odpor, parazitnú kapacitu (v tlmivkách) a parazitnú indukčnosť (v kondenzátoroch). Tranzistory a diódy majú IV charakteristiky, ktoré sa menia s teplotou. Všetky komponenty majú určité tolerancie hodnôt parametrov, spotrebúvajú energiu, majú obmedzenia výkonu a generujú hluk. Tieto neideálne charakteristiky bránia tomu, aby sa napájací zdroj stal absolútne konštantným jednosmerným výstupným zdrojom.

 

Odchýlka od ideálneho výkonu

 

Výstup poskytovaný jednosmerným zdrojom nie je vždy výstup naprogramovaný používateľom. Výrobcovia definujú presnosť špecifických jednosmerných výstupov na základe tolerancií komponentov: výstupná presnosť alebo presnosť zobrazenia. Keď okolitá teplota prekročí rozsah kalibračnej teploty napájacieho zdroja, výrobca môže tiež špecifikovať teplotný koeficient, ktorý pridá k výstupnej tolerancii. Ďalším dôvodom, prečo jednosmerný výstup klesne pod naprogramovanú hodnotu, je, že pri použití vysokej prúdovej záťaže je vnútorný odpor komponentov v napájacom zdroji vystavený väčšiemu napätiu. Výrobca špecifikuje tento efekt ako reguláciu záťaže, vyjadrenú ako percentuálna chyba z plného napätia. Na úplné určenie presnosti výstupu jednosmerného zdroja by sa k presnosti výstupu mala pridať chyba nastavenia záťaže.

 

Výstupný koniec DC napájacieho zdroja môže mať tiež šum. V dôsledku pohybu a kolízie elektrónov v kovových konštrukciách existuje vlastný hluk vo všetkých elektronických komponentoch. Tento typ hluku sa nazýva Johnsonov hluk. V dôsledku podmienok na striedavom vedení, elektromagnetického rušenia prostredia (EMI) a bludných prúdov na uzemňovacím vodiči sa môže vo výstupe vyskytnúť aj šum. Rovnako ako iné elektronické prístroje, aj minimalizácia hluku v napájacom zdroji si vyžaduje podrobné konštrukčné techniky. Ale aj pri najlepšom dizajne bude na výstupnom konci napájacieho zdroja jednosmerného prúdu šum.

 

Štruktúra topológie napájania

 

Existujú dva typy topológií napájania. Návrh napájacieho zdroja môže používať lineárnu topológiu alebo topológiu prepínacieho režimu. Rozdiel v ich konštrukcii spočíva v module usmerňovača a modulu regulácie napätia.

 

(1) Štruktúra lineárnej topológie

Pri lineárnom prevedení obvodom preteká konštantný prúd. Výhody tohto dizajnu sú nízka hlučnosť a nízka zložitosť, ale účinnosť nie je príliš vysoká. Účinnosť lineárneho napájania je nižšia ako 50%.

 

(2) Štruktúra topológie prepínača

Na druhej strane, spínané zdroje môžu dosiahnuť 90% účinnosť, ale ich zložitosť a výstupný šum sú oveľa vyššie. Príčinou vysokej hlučnosti sú aktívne súčiastky, konkrétne tranzistory, používané ako spínače na zapínanie a vypínanie zdroja pri frekvencii kHz. Výhodou spínaných zdrojov je, že sú menšie a ľahšie ako lineárne zdroje rovnakej kapacity. Spínaný zdroj je možné použiť s ľahšími a menšími transformátormi. Navyše, čím vyššia je spínacia frekvencia, tým menšie sú všetky indukčné súčiastky.

 

Aj keď sú obe topológie vhodné pre napájacie zdroje do niekoľkých stoviek wattov, spínané zdroje sa používajú hlavne na navrhovanie zdrojov s výkonom presahujúcim 500 W alebo dokonca kilowattov. Pre napájacie zdroje na úrovni kilowattov môžu byť transformátory tiež veľmi veľké a ťažké.