A diferença entre fonte de alimentação linear e fonte de alimentação chaveada
De acordo com o princípio de conversão, as fontes de alimentação podem ser classificadas em fontes de alimentação lineares e fontes de alimentação chaveadas. Quando classificamos fontes de alimentação lineares e fontes chaveadas, na verdade precisamos esclarecer se são AC/DC ou DC/DC. Embora esta classificação vise distinguir os princípios da transformação. Mas são as fontes de alimentação lineares e as fontes de alimentação chaveadas que alcançam as funções AC/DC de um processo completo de conversão de AC em DC, e alguns dos circuitos são compostos de DC/DC.
Fonte de alimentação linear e fonte de alimentação chaveada para AC/DC
Existem muitos livros didáticos, livros e artigos que se referem diretamente às fontes de energia linear como "fontes de energia linear para CA/CC". O que é uma fonte de energia linear? A fonte de alimentação linear primeiro reduz a amplitude da tensão da energia CA através de um transformador, depois retifica-a através de um circuito retificador para obter energia CC pulsada e, em seguida, filtra-a para obter tensão CC com pequena tensão de ondulação.
As características da fonte de alimentação linear AC/DC e da fonte de alimentação chaveada são diferentes da seguinte forma:
A fonte de alimentação linear CA/CC é primeiro reduzida pela tensão CA usando um transformador de frequência de potência e depois retificada. Após a redução da tensão através de um transformador, a tensão tornou-se relativamente baixa e chips de potência, como um regulador de tensão de três terminais, podem ser usados para estabilização da tensão. O tubo de ajuste da fonte de alimentação linear opera em estado amplificado, resultando em alta geração de calor e baixa eficiência (relacionada à queda de tensão), exigindo a adição de um volumoso dissipador de calor. O volume dos transformadores de frequência de potência também é relativamente grande e, ao produzir vários conjuntos de saídas de tensão, o volume do transformador será maior.
O tubo de ajuste da fonte de alimentação chaveada AC/DC opera em estados de saturação e corte, resultando em baixa geração de calor e alta eficiência. A fonte de alimentação comutada CA/CC elimina a necessidade de transformadores de frequência de potência volumosos. No entanto, a saída CC da fonte de alimentação chaveada CA/CC terá ondulações maiores, o que pode ser melhorado conectando um diodo regulador de tensão na extremidade de saída. Além disso, devido à interferência de pulso de alto pico gerada durante a operação do tubo de comutação, as esferas magnéticas precisam ser conectadas em série no circuito para melhorar. Relativamente falando, a ondulação de uma fonte de alimentação linear pode ser muito pequena. A comutação de fontes de alimentação pode ser alcançada por meio de diferentes estruturas topológicas, como redução de tensão, reforço e reforço, enquanto fontes de alimentação lineares só podem alcançar redução de tensão.
Muitos dos primeiros adaptadores de energia eram relativamente pesados e seu princípio de conversão era uma fonte de alimentação linear AC/DC, que usava um transformador de frequência de energia internamente. A fonte de alimentação linear CA/CC usa primeiro um transformador para reduzir a tensão CA. Esse tipo de transformador, que reduz diretamente a tensão da rede elétrica, é denominado transformador de frequência de potência, conforme mostra a Figura 1.9. Os transformadores de frequência de potência, também conhecidos como transformadores de baixa frequência, os distinguem dos transformadores de alta frequência usados na comutação de fontes de alimentação. Os transformadores de frequência de potência foram amplamente utilizados em fontes de energia tradicionais no passado. A frequência padrão da rede elétrica na indústria de energia, também conhecida como rede elétrica ("rede elétrica" refere-se à fonte de alimentação usada principalmente pelos residentes nas cidades), é de 50 Hz na China e 60 Hz em outros países. Um transformador que pode alterar a tensão da corrente alternada nesta frequência é chamado de transformador de frequência de potência. Os transformadores de frequência de potência são geralmente maiores em tamanho em comparação com os transformadores de alta frequência. Portanto, o volume de fonte de alimentação linear CA/CC implementada com transformadores de frequência de potência é relativamente grande.
A fonte de alimentação comutada CA/CC requer primeiro retificar e filtrar a fonte de alimentação CA para formar uma alta tensão CC aproximada e, em seguida, controlar a chave para gerar pulsos de alta frequência, que são transformados por meio de um transformador. A fonte de alimentação comutada AC/DC tem maior eficiência e tamanho menor. Uma razão importante para seu pequeno tamanho é que os transformadores de alta frequência são muito menores que os transformadores de frequência de potência. Por que quanto maior a frequência, menor o volume do transformador?
Os materiais do núcleo do transformador têm limites de saturação, portanto, há limites para a intensidade máxima do campo magnético. A corrente, a intensidade do campo magnético e o fluxo magnético da corrente alternada são todos sinais senoidais. Sabemos que para sinais senoidais de mesma amplitude, quanto maior a frequência, maior será o pico da "taxa de variação" do sinal (o momento em que o sinal senoidal cruza zero é o pico da "taxa de variação", enquanto a taxa de mudança no pico do sinal é 0). Enquanto isso, a tensão induzida é determinada pela taxa de variação do fluxo magnético. Portanto, para a mesma tensão por espira, quanto maior a frequência, menor será o pico de fluxo magnético necessário. Mas, como mencionado acima, o valor máximo da intensidade do campo magnético é limitado. Portanto, se a necessidade de fluxo magnético for reduzida, a área da seção transversal do núcleo de ferro pode ser reduzida. A análise acima assume a mesma tensão por volta. E a tensão por volta está relacionada à potência. Portanto, assumindo o mesmo poder. Se a potência for menor, a corrente também for menor, e o fio permitido for mais fino, e a resistência um pouco maior, é permitido aumentar o número de voltas. Desta forma, a tensão por volta também é reduzida, o que também pode reduzir a necessidade de fluxo magnético. Em seguida, reduza o volume. Além disso, a análise acima assume que o material é constante, ou seja, a intensidade do campo magnético de saturação é constante. Obviamente, se forem utilizados materiais com maior intensidade de campo magnético de saturação, o volume também pode ser reduzido. Sabemos que, em comparação com transformadores do mesmo tamanho de décadas atrás, os transformadores hoje em dia têm volumes muito menores porque agora utilizam novos materiais de núcleo de ferro.
De acordo com a equação de Maxwell, a força eletromotriz induzida E na bobina do transformador é
Ou seja, a integral da taxa de variação da densidade do fluxo magnético B ao longo do tempo sobre N fios gira com uma área de Ac.
Para transformadores, a força eletromotriz induzida E no lado primário do transformador e a tensão U aplicada no lado de entrada podem ser consideradas como uma relação linear. Partindo da premissa de que a amplitude de U no lado de entrada do transformador permanece inalterada, pode-se considerar que a amplitude de E também permanece inalterada.
Além disso, existe um limite superior para a densidade de fluxo magnético B de cada tipo de núcleo magnético. A ferrita usada para aplicações de alta frequência está em torno de alguns décimos de Tesla, enquanto o núcleo de ferro usado para aplicações de frequência de energia está em torno de um nível ligeiramente superior a um, com uma pequena diferença.
Portanto, quando a frequência aumenta, a taxa de mudança na densidade do fluxo magnético dB/dt durante cada ciclo aumenta significativamente, desde que a mudança de pico na densidade do fluxo magnético B não seja significativa. Portanto, Ac ou N menores podem ser usados para atingir a mesma força eletromotriz induzida E. Uma diminuição em Ac significa uma diminuição na área da seção transversal do núcleo magnético; Uma diminuição em N significa que a área da janela vazia do núcleo magnético pode ser reduzida, o que pode ajudar a atingir um volume menor do núcleo magnético. A área da seção transversal de um transformador de alta frequência é menor e o número de voltas na bobina diminui, resultando em um volume menor.
O tubo de ajuste da fonte chaveada opera nos estados de saturação e corte, resultando em baixa geração de calor e alta eficiência. As fontes de alimentação comutadas CA/CC não requerem o uso de grandes transformadores de frequência de potência. No entanto, a saída CC da fonte de alimentação chaveada terá grandes ondulações sobrepostas. Além disso, devido ao grande pico de interferência de pulso gerado durante a operação do transistor chaveador, também é necessário filtrar a fonte de alimentação no circuito para melhorar a qualidade da fonte de alimentação. Relativamente falando, as fontes de energia lineares não apresentam os defeitos acima e sua ondulação pode ser muito pequena.
