A fonte de alimentação chaveada é usada para converter a tensão de entrada para o valor exigido pelos elementos internos do dispositivo. Outro nome para fontes pulsadas, que se tornou difundido, é inversor.
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O que é isso?
O inversor é uma fonte de energia secundária que utiliza dupla conversão da tensão de entrada CA. O valor dos parâmetros de saída é regulado alterando a duração (largura) dos pulsos e, em alguns casos, a frequência de sua repetição. Este tipo de modulação é chamado de modulação por largura de pulso.
O princípio de operação de uma fonte de alimentação de comutação
A operação do inversor é baseada na retificação da tensão primária e sua posterior transformação em uma sequência de pulsos de alta frequência. Nisto difere de um transformador convencional.A tensão de saída do bloco é usada para formar um sinal de feedback negativo, que permite ajustar os parâmetros dos pulsos. Ao controlar a largura dos pulsos, é fácil organizar a estabilização e o ajuste dos parâmetros de saída, tensão ou corrente. Ou seja, pode ser tanto um estabilizador de tensão quanto um estabilizador de corrente.
O número e a polaridade dos valores de saída podem ser muito diferentes dependendo de como funciona a fonte de alimentação chaveada.
Variedades de fontes de alimentação
Vários tipos de inversores têm sido usados, que diferem em seu esquema de construção:
- sem transformador;
- transformador.
Os primeiros diferem em que a sequência de pulsos vai diretamente para o retificador de saída e o filtro de suavização do dispositivo. Tal esquema tem um mínimo de componentes. Um inversor simples inclui um circuito integrado especializado - um gerador de largura de pulso.
Das desvantagens dos dispositivos sem transformador, a principal é que eles não possuem isolamento galvânico da rede e podem representar risco de choque elétrico. Além disso, eles geralmente têm baixa potência e fornecem apenas 1 tensão de saída.
Mais comuns são os dispositivos de transformador nos quais um trem de pulsos de alta frequência é alimentado ao enrolamento primário do transformador. Pode haver quantos enrolamentos secundários você quiser, o que permite gerar várias tensões de saída. Cada enrolamento secundário é carregado com seu próprio retificador e filtro de suavização.
Uma poderosa fonte de alimentação de comutação para qualquer computador é construída de acordo com um esquema que possui alta confiabilidade e segurança. Para o sinal de feedback, uma tensão de 5 ou 12 volts é usada aqui, pois esses valores exigem a estabilização mais precisa.
O uso de transformadores para conversão de tensão de alta frequência (dezenas de kilohertz em vez de 50 Hz) permitiu reduzir suas dimensões e peso muitas vezes e usar não ferro elétrico, mas materiais ferromagnéticos com alta força coercitiva como material de núcleo ( circuito magnético).
Os conversores CC também são construídos com base na modulação por largura de pulso. Sem o uso de circuitos inversores, a conversão foi associada a grandes dificuldades.
Esquema de fonte de alimentação
O circuito da configuração mais comum de um conversor de pulso inclui:
- filtro de supressão de ruído de rede;
- retificador;
- filtro de alisamento;
- conversor de largura de pulso;
- transistores chave;
- saída transformador de alta frequência;
- retificadores de saída;
- saída de filtros individuais e de grupo.
A finalidade do filtro de supressão de ruído é retardar a interferência da operação do dispositivo na rede. Os elementos semicondutores de potência de comutação podem ser acompanhados pela criação de pulsos de curto prazo em uma ampla faixa de frequência. Portanto, aqui é necessário usar elementos especialmente projetados para esse fim como capacitores de passagem das unidades de filtragem.
O retificador é usado para converter a tensão CA de entrada em CC, e o próximo filtro de suavização elimina a ondulação da tensão retificada.
No caso em que um conversor DC/DC é usado, o retificador e o filtro tornam-se desnecessários, e o sinal de entrada, tendo passado pelos circuitos do filtro de ruído, é alimentado diretamente ao conversor de largura de pulso (modulador), abreviado como PWM.
O PWM é a parte mais complexa do circuito da fonte de alimentação de comutação. Sua tarefa inclui:
- geração de pulsos de alta frequência;
- controle dos parâmetros de saída do bloco e correção da sequência de pulsos de acordo com o sinal de feedback;
- controle e proteção contra sobrecarga.
O sinal PWM é alimentado para as saídas de controle de transistores chave poderosos conectados em um circuito de ponte ou meia ponte. As saídas de potência dos transistores são carregadas no enrolamento primário do transformador de saída de alta frequência. Em vez dos transistores bipolares tradicionais, são usados transistores IGBT ou MOSFET, caracterizados por baixa queda de tensão nas junções e alta velocidade. Parâmetros de transistor aprimorados ajudam a reduzir a dissipação de energia com as mesmas dimensões e parâmetros de design técnico.
O transformador de pulso de saída usa o mesmo princípio de conversão que o clássico. Uma exceção é o trabalho em uma frequência mais alta. Como resultado, transformadores de alta frequência com a mesma potência transmitida têm dimensões menores.
A tensão do enrolamento secundário do transformador de potência (pode haver vários) é fornecida aos retificadores de saída. Ao contrário do retificador de entrada, os diodos retificadores do circuito secundário devem ter uma frequência de operação aumentada.Os diodos Schottky funcionam melhor nesta seção do circuito. Suas vantagens sobre os convencionais:
- alta frequência de operação;
- junção p-n de capacitância reduzida;
- pequena queda de tensão.
A finalidade do filtro de saída da fonte de alimentação chaveada é reduzir a ondulação da tensão de saída retificada ao mínimo necessário. Como a frequência de ondulação é muito maior que a da tensão da rede, não há necessidade de grandes valores de capacitância dos capacitores e indutância das bobinas.
Escopo da fonte de alimentação de comutação
Conversores de tensão de comutação são usados na maioria dos casos em vez de transformadores tradicionais com estabilizadores de semicondutores. Com a mesma potência, os inversores têm dimensões e peso geral menores, alta confiabilidade e, o mais importante, maior eficiência e capacidade de operar em uma ampla faixa de tensão de entrada. E com dimensões comparáveis, a potência máxima do inversor é várias vezes maior.
Em uma área como a conversão direta de tensão, as fontes pulsadas praticamente não têm substituição alternativa e são capazes de trabalhar não apenas para diminuir a tensão, mas também para gerar um aumento, para organizar uma mudança de polaridade. A alta frequência de conversão facilita muito a filtragem e estabilização dos parâmetros de saída.
Inversores de pequeno porte baseados em circuitos integrados especializados são usados como carregadores para todos os tipos de gadgets, e sua confiabilidade é tal que a vida útil da unidade de carregamento pode exceder o tempo de operação de um dispositivo móvel em várias vezes.
Drivers de energia de 12 Volts para ligar fontes de iluminação LED também são construídos de acordo com um circuito pulsado.
Como fazer uma fonte de alimentação comutada com suas próprias mãos
Os inversores, especialmente os potentes, possuem circuitos complexos e estão disponíveis para repetição apenas por radioamadores experientes. Para automontagem de fontes de alimentação de rede, podemos recomendar circuitos simples de baixa potência usando chips controladores PWM especializados. Esses CIs têm um pequeno número de elementos de cintagem e provaram circuitos de comutação típicos que praticamente não requerem ajuste e ajuste.
Ao trabalhar com estruturas caseiras ou reparar dispositivos industriais, deve-se lembrar que parte do circuito estará sempre no potencial da rede, portanto, medidas de segurança devem ser observadas.
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