Ako fungujú obvody napájania v spínacom režime (SMPS)

SMPS je skratka slova Switch Mode Power Supply. Názov jasne naznačuje, že koncept má niečo alebo úplne spoločné s impulzmi alebo prepínaním použitých zariadení. Naučme sa, ako fungujú adaptéry SMPS na prevod sieťového napätia na nižšie jednosmerné napätie.

Výhoda topológie SMPS

V adaptéroch SMPS je myšlienkou prepnúť vstupné napätie zo siete do primárneho vinutia transformátora, aby sa na sekundárnom vinutí transformátora mohlo dosiahnuť jednosmerné napätie nižšej hodnoty.

Otázkou však je, že to isté sa dá urobiť aj s obyčajným transformátorom, tak aké je také komplikované nastavenie, keď je možné fungovanie jednoducho implementovať pomocou bežných transformátorov?

Koncepcia bola vyvinutá práve preto, aby sa vylúčilo použitie ťažkých a objemných transformátorov s oveľa efektívnejšou verziou transformátora Napájacie obvody SMPS .

Aj keď je princíp fungovania celkom podobný, výsledky sú úplne odlišné.

Naše sieťové napätie je tiež pulzujúce napätie alebo striedavé napätie, ktoré sa zvyčajne dodáva do bežného transformátora na požadované konverzie, ale nemôžeme zmenšiť veľkosť transformátora ani pri prúde tak nízkom ako 500 mA.

Dôvodom je veľmi nízka frekvencia vstupov AC do siete.
Pri 50 Hz alebo 60 Hz je hodnota nesmierne nízka na ich implementáciu do výstupov vysokých jednosmerných prúdov pomocou menších transformátorov.

Je to tak preto, lebo s poklesom frekvencie sa zvyšujú straty vírivých prúdov magnetizáciou transformátora, čo má za následok obrovské straty prúdu teplom a následne sa celý proces stáva veľmi neefektívnym.

Na vyrovnanie uvedených strát sú použité relatívne väčšie jadrá transformátora s príslušným stupňom hrúbky drôtu, čo robí celú jednotku ťažkou a ťažkopádnou.

Spínaný napájací obvod rieši túto otázku veľmi dômyselne.

Ak nižšia frekvencia zvyšuje straty vírivými prúdmi, znamená to, že zvýšenie frekvencie by malo pravý opak.

Znamená to, že ak sa zvýši frekvencia, transformátor by mohol byť oveľa menší, ale na svojich výstupoch by poskytoval vyšší prúd.

To je presne to, čo robíme s Obvod SMPS . Poďme pochopiť fungovanie s nasledujúcimi bodmi:

Ako fungujú adaptéry SMPS

V schéme napájacieho obvodu v spínacom režime je vstup AC najskôr usmernený a filtrovaný, aby sa vytvorila príslušná veľkosť jednosmerného prúdu.

Vyššie uvedený DC sa aplikuje na konfiguráciu oscilátora, ktorá obsahuje vysokonapäťový tranzistor alebo mosfet, zostavený na dobre dimenzované primárne vinutie malého feritového transformátora.

Obvod sa stáva oscilujúcim typom konfigurácie, ktorá začína oscilovať na určitej vopred stanovenej frekvencii nastavenej inými pasívnymi komponentmi, ako sú kondenzátory a rezistory.

Frekvencia je zvyčajne nad 50 Khz.

Táto frekvencia indukuje ekvivalentné napätie a prúd na sekundárnom vinutí transformátora, určené počtom závitov a SWG vodiča.

Vďaka zapojeniu vysokých frekvencií sa straty vírivých prúdov stávajú zanedbateľne malými a výstup vysokého jednosmerného prúdu sa dá odvodiť prostredníctvom menších transformátorov s feritovým jadrom a relatívne tenšieho vinutia drôtu.

Sekundárne napätie však bude tiež na primárnej frekvencii, a preto je opäť usmernené a filtrované pomocou diódy s rýchlou obnovou a kondenzátora vysokej hodnoty.

Výsledkom na výstupe je perfektne filtrovaný nízky jednosmerný prúd, ktorý sa dá efektívne využiť na prevádzku ľubovoľného elektronického obvodu.

V moderných verziách SMPS sa na vstupe používajú namiesto tranzistorov vysokofrekvenčné integrované obvody.
Integrované obvody sú vybavené vstavaným vysokonapäťovým mosfetom na udržanie vysokofrekvenčných oscilácií a mnohými ďalšími ochrannými prvkami.

Čo majú zabudované ochrany SMPS

Tieto integrované obvody majú adekvátne zabudované ochranné obvody ako lavínová ochrana, ochrana proti nadmernému teplu a ochrana proti prepätiu a tiež funkcia nárazového režimu.

Lavínová ochrana zaisťuje, že sa IC nepoškodí pri zhone pri zapnutí.

Ochrana proti prehriatiu zaisťuje, že sa IC automaticky vypne, ak nie je transformátor správne navinutý, a odoberá z IC viac prúdu, čo ho robí nebezpečne horúcim.

Sériový režim je zaujímavá vlastnosť, ktorá je súčasťou moderných jednotiek SMPS.

Tu je výstup DC napájaný späť na snímací vstup IC. Ak z nejakého dôvodu, zvyčajne z dôvodu nesprávneho sekundárneho vinutia alebo výberu rezistorov, výstupné napätie stúpne nad určitú vopred stanovenú hodnotu, IC vypne vstupné prepínanie a preskočí prepínanie do prerušovaných výbojov.

To pomáha regulovať napätie na výstupe a tiež prúd na výstupe.

Táto funkcia tiež zaisťuje, že ak je výstupné napätie upravené na nejaký vysoký bod a výstup nie je zaťažený, prepne sa IC do burstového režimu, čím sa zabezpečí prerušovaná prevádzka jednotky, kým sa výstup dostatočne nezaťaží, čo šetrí energiu jednotky keď je v pohotovostnom režime alebo keď výstup nie je funkčný.

Spätná väzba z výstupnej sekcie do integrovaného obvodu je implementovaná prostredníctvom optočlenu, takže výstup zostáva dostatočne vzdialený od vstupnej vysokonapäťovej siete AC, aby sa zabránilo nebezpečným šokom.