Jak funguje skutečný programovatelný stejnosměrný napájecí zdroj?

Přehled pracovních metod napájecího zdroje

 

Modul usměrňovacího obvodu převádí střídavé napětí z transformátoru na unipolární střídavé napětí. Dále modul filtru převádí unipolární střídavé napětí na nedokonalé stejnosměrné napětí se zvlněním.

Regulátor napětí upravuje výstupní napětí na požadovanou úroveň a provádí další filtrování pro dosažení konstantního výstupního stejnosměrného napětí.

 

Tyto obvodové moduly obsahují mnoho součástek, z nichž žádná není ideální. Kondenzátory a induktory mají parazitní odpor, parazitní kapacitu (v induktorech) a parazitní indukčnost (v kondenzátorech). Tranzistory a diody mají IV charakteristiky, které se mění s teplotou. Všechny komponenty mají určité tolerance hodnot svých parametrů, spotřebovávají energii, mají omezení výkonu a generují hluk. Tyto neideální charakteristiky brání tomu, aby se napájecí zdroj stal absolutně konstantním stejnosměrným výstupním zdrojem.

 

Odchylka od ideálního výstupu

 

Výstup poskytovaný stejnosměrným napájecím zdrojem není vždy uživatelsky naprogramovaný výstup. Výrobci definují přesnost konkrétních stejnosměrných výstupů na základě tolerancí komponent: přesnost výstupu nebo přesnost zobrazení. Když okolní teplota překročí rozsah kalibrační teploty napájecího zdroje, může výrobce také specifikovat teplotní koeficient, který přidá k výstupní toleranci. Dalším důvodem, proč stejnosměrný výstup klesne pod naprogramovanou hodnotu, je to, že při použití velkého proudového zatížení je vnitřní odpor součástek v napájecím zdroji vystaven většímu napětí. Výrobce specifikuje tento efekt jako regulaci zátěže, vyjádřenou jako procentuální chyba z plného napětí. Aby bylo možné plně určit přesnost výstupu stejnosměrného napájecího zdroje, měla by se k přesnosti výstupu přičíst chyba nastavení zátěže.

 

Stejnosměrný výstupní konec stejnosměrného napájecího zdroje může mít také šum. V důsledku pohybu a kolize elektronů v kovových konstrukcích existuje vlastní šum ve všech elektronických součástkách. Tento typ hluku se nazývá Johnsonův šum. Kvůli podmínkám na střídavém vedení, elektromagnetickému rušení prostředí (EMI) a bludným proudům na zemnícím vodiči se může ve výstupním výkonu objevit také šum. Stejně jako ostatní elektronické přístroje vyžaduje minimalizace hluku v napájecím zdroji podrobné konstrukční techniky. Ale i při nejlepším návrhu bude na výstupním konci stejnosměrného napájecího zdroje šum.

 

Struktura topologie napájení

 

Existují dva typy topologií napájení. Návrh napájecího zdroje může používat lineární topologii nebo topologii přepínaného režimu. Rozdíl v jejich provedení spočívá v modulu usměrňovače a modulu regulace napětí.

 

(1) Struktura lineární topologie

V lineárním provedení obvodem protéká konstantní proud. Výhodou této konstrukce je nízká hlučnost a malá složitost, ale účinnost není příliš vysoká. Účinnost lineárního napájení je menší než 50 %.

 

(2) Struktura topologie přepínače

Na druhou stranu spínané zdroje mohou dosáhnout 90% účinnosti, ale jejich složitost a výstupní hlučnost jsou mnohem vyšší. Důvodem vysoké hlučnosti jsou aktivní součástky, konkrétně tranzistory, používané jako spínače pro zapínání a vypínání zdroje na frekvenci kHz. Výhodou spínaných zdrojů je, že jsou menší a lehčí než lineární zdroje stejné kapacity. Spínaný zdroj lze použít s lehčími a menšími transformátory. Navíc, čím vyšší je spínací frekvence, tím menší jsou všechny indukční součástky.

 

Přestože jsou obě topologie vhodné pro napájecí zdroje do několika stovek wattů, spínané zdroje se používají především pro návrh napájecích zdrojů s výkonem přesahujícím 500 W nebo dokonce kilowattů. Pro napájecí zdroje na úrovni kilowattů mohou být transformátory také velmi velké a těžké.