Der Unterschied zwischen linearer Stromversorgung und Schaltnetzteil
Nach dem Umwandlungsprinzip lassen sich Netzteile in lineare Netzteile und Schaltnetzteile einteilen. Wenn wir lineare Netzteile und Schaltnetzteile klassifizieren, müssen wir tatsächlich klären, ob es sich um AC/DC oder DC/DC handelt. Obwohl diese Klassifizierung darauf abzielt, die Prinzipien der Transformation zu unterscheiden. Bei linearen Netzteilen und Schaltnetzteilen, die AC/DC-Funktionen erreichen, handelt es sich jedoch um einen vollständigen Prozess der Umwandlung von AC in DC, und einige der Schaltkreise bestehen aus DC/DC.
Lineares Netzteil und Schaltnetzteil für AC/DC
Es gibt viele Lehrbücher, Bücher und Artikel, in denen lineare Stromquellen direkt als „lineare Stromquellen für AC/DC“ bezeichnet werden. Was ist eine lineare Stromquelle? Die lineare Stromversorgung reduziert zunächst die Spannungsamplitude des Wechselstroms über einen Transformator, richtet ihn dann über eine Gleichrichterschaltung gleich, um gepulsten Gleichstrom zu erhalten, und filtert ihn dann, um Gleichspannung mit geringer Spannungswelligkeit zu erhalten.
Die Eigenschaften der linearen AC/DC-Stromversorgung und des Schaltnetzteils unterscheiden sich wie folgt:
Die lineare AC/DC-Stromversorgung wird zunächst mithilfe eines Netzfrequenztransformators durch Wechselspannung reduziert und dann gleichgerichtet. Nach der Spannungsreduzierung durch einen Transformator ist die Spannung relativ niedrig geworden, und Leistungschips wie ein Spannungsregler mit drei Anschlüssen können zur Spannungsstabilisierung verwendet werden. Das Einstellrohr des linearen Netzteils arbeitet in einem verstärkten Zustand, was zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem geringen Wirkungsgrad (im Zusammenhang mit dem Spannungsabfall) führt, was den Einbau eines sperrigen Kühlkörpers erforderlich macht. Das Volumen von Netzfrequenztransformatoren ist ebenfalls relativ groß, und wenn mehrere Sätze von Spannungsausgängen erzeugt werden, ist das Transformatorvolumen größer.
Das Einstellrohr des AC/DC-Schaltnetzteils arbeitet im Sättigungs- und Abschaltzustand, was zu einer geringen Wärmeentwicklung und einem hohen Wirkungsgrad führt. Das AC/DC-Schaltnetzteil macht sperrige Netzfrequenztransformatoren überflüssig. Der Gleichstromausgang des AC/DC-Schaltnetzteils weist jedoch größere Welligkeiten auf, was durch den Anschluss einer Spannungsreglerdiode am Ausgangsende verbessert werden kann. Darüber hinaus müssen aufgrund der hohen Spitzenimpulsstörungen, die während des Betriebs der Schaltröhre erzeugt werden, Magnetkügelchen zur Verbesserung im Stromkreis in Reihe geschaltet werden. Relativ gesehen kann die Welligkeit einer linearen Stromversorgung sehr klein gemacht werden. Schaltnetzteile können durch unterschiedliche topologische Strukturen wie Spannungsreduzierung, Boost und Boost erreicht werden, während lineare Netzteile nur eine Spannungsreduzierung erreichen können.
Viele frühe Netzteile waren relativ schwer und ihr Umwandlungsprinzip war eine lineare AC/DC-Stromversorgung, die intern einen Netzfrequenztransformator verwendete. Die lineare AC/DC-Stromversorgung verwendet zunächst einen Transformator, um die Wechselspannung zu reduzieren. Diese Art von Transformator, der die Spannung im Netz direkt reduziert, wird als Netzfrequenztransformator bezeichnet, wie in Abbildung 1.9 dargestellt. Netzfrequenztransformatoren, auch Niederfrequenztransformatoren genannt, unterscheiden sie von Hochfrequenztransformatoren, die in Schaltnetzteilen verwendet werden. Netzfrequenztransformatoren wurden in der Vergangenheit häufig in herkömmlichen Stromquellen eingesetzt. Die Standardfrequenz des Netzstroms in der Energiewirtschaft, auch Netzstrom genannt („Netzstrom“ bezieht sich auf die Stromversorgung, die hauptsächlich von Bewohnern von Städten genutzt wird), beträgt in China 50 Hz und in anderen Ländern 60 Hz. Ein Transformator, der die Spannung von Wechselstrom bei dieser Frequenz ändern kann, wird Netzfrequenztransformator genannt. Netzfrequenztransformatoren sind im Allgemeinen größer als Hochfrequenztransformatoren. Daher ist das Volumen der linearen AC/DC-Stromversorgung, die mit Netzfrequenztransformatoren implementiert wird, relativ groß.
Bei AC/DC-Schaltnetzteilen muss zunächst die Wechselstromversorgung gleichgerichtet und gefiltert werden, um eine annähernde DC-Hochspannung zu erzeugen. Anschließend muss der Schalter gesteuert werden, um Hochfrequenzimpulse zu erzeugen, die über einen Transformator umgewandelt werden. AC/DC-Schaltnetzteile haben einen höheren Wirkungsgrad und eine kleinere Größe. Ein wichtiger Grund für die geringe Größe ist, dass Hochfrequenztransformatoren viel kleiner sind als Netzfrequenztransformatoren. Warum ist das Transformatorvolumen umso kleiner, je höher die Frequenz ist?
Transformatorkernmaterialien haben Sättigungsgrenzen, daher gibt es Grenzen für die maximale magnetische Feldstärke. Der Strom, die magnetische Feldstärke und der magnetische Fluss von Wechselstrom sind allesamt sinusförmige Signale. Wir wissen, dass bei Sinussignalen gleicher Amplitude die Spitze der „Änderungsrate“ des Signals umso größer ist, je höher die Frequenz ist (der Moment, in dem das Sinussignal den Nullpunkt überschreitet, ist die Spitze der „Änderungsrate“, während die Rate der Änderung an der Spitze des Signals ist 0). Unterdessen wird die induzierte Spannung durch die Änderungsrate des magnetischen Flusses bestimmt. Bei gleicher Spannung pro Windung gilt: Je höher die Frequenz, desto geringer ist der erforderliche Spitzenmagnetfluss. Aber wie oben erwähnt, ist der Spitzenwert der magnetischen Feldstärke begrenzt. Wenn daher der Magnetflussbedarf verringert wird, kann die Querschnittsfläche des Eisenkerns verringert werden. Die obige Analyse geht von der gleichen Spannung pro Windung aus. Und die Spannung pro Umdrehung hängt von der Leistung ab. Daher gehe ich von der gleichen Leistung aus. Wenn die Leistung kleiner ist, ist auch der Strom kleiner, der zulässige Draht dünner und der Widerstand etwas höher. Daher darf die Windungszahl erhöht werden. Auf diese Weise wird auch die Spannung pro Windung reduziert, wodurch sich auch der Magnetflussbedarf verringern kann. Reduzieren Sie dann die Lautstärke. Außerdem geht die obige Analyse davon aus, dass das Material konstant ist, d. h. die Sättigungsmagnetfeldstärke ist konstant. Wenn Materialien mit höherer Sättigungsmagnetfeldstärke verwendet werden, kann natürlich auch das Volumen reduziert werden. Wir wissen, dass Transformatoren heutzutage im Vergleich zu Transformatoren gleicher Größe vor Jahrzehnten viel kleinere Volumina haben, weil sie jetzt neue Eisenkernmaterialien verwenden.
Gemäß der Maxwell-Gleichung beträgt die induzierte elektromotorische Kraft E in der Transformatorspule
Das heißt, das Integral der Änderungsrate der magnetischen Flussdichte B über die Zeit über N Drahtwindungen mit einer Fläche von Ac.
Bei Transformatoren kann die induzierte elektromotorische Kraft E auf der Primärseite des Transformators und die auf der Eingangsseite anliegende Spannung U als linearer Zusammenhang betrachtet werden. Unter der Voraussetzung, dass die Amplitude von U auf der Eingangsseite des Transformators unverändert bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass auch die Amplitude von E unverändert bleibt.
Darüber hinaus gibt es eine Obergrenze für die magnetische Flussdichte B jedes Magnetkerntyps. Der für Hochfrequenzanwendungen verwendete Ferrit liegt bei etwa einigen Zehntel Tesla, während der für Netzfrequenzanwendungen verwendete Eisenkern mit einem kleinen Unterschied etwa etwas größer als eins ist.
Wenn daher die Frequenz steigt, nimmt die Änderungsrate der magnetischen Flussdichte dB/dt während jedes Zyklus erheblich zu, vorausgesetzt, dass die Spitzenänderung der magnetischen Flussdichte B nicht signifikant ist. Daher können kleinere Ac- oder N-Werte verwendet werden, um die gleiche induzierte elektromotorische Kraft E zu erreichen. Eine Verringerung von Ac bedeutet eine Verringerung der Querschnittsfläche des Magnetkerns; Eine Verringerung von N bedeutet, dass die Fläche des leeren Fensters des Magnetkerns verringert werden kann, was beides dazu beitragen kann, ein kleineres Volumen des Magnetkerns zu erreichen. Die Querschnittsfläche eines Hochfrequenztransformators ist kleiner und die Windungszahl der Spule nimmt ab, was zu einem kleineren Volumen führt.
Das Einstellrohr des Schaltnetzteils arbeitet im Sättigungs- und Abschaltzustand, was zu einer geringen Wärmeentwicklung und einem hohen Wirkungsgrad führt. AC/DC-Schaltnetzteile erfordern keine großen Netzfrequenztransformatoren. Dem Gleichstromausgang des Schaltnetzteils sind jedoch große Wellen überlagert. Darüber hinaus ist es aufgrund der großen Spitzenimpulsstörungen, die während des Betriebs des Schalttransistors erzeugt werden, auch erforderlich, die Stromversorgung in der Schaltung zu filtern, um die Qualität der Stromversorgung zu verbessern. Relativ gesehen weisen lineare Stromquellen die oben genannten Mängel nicht auf und ihre Welligkeit kann sehr gering sein.
