Cele două tipuri majore de surse de alimentare, modul liniar și de comutare (SMPS), funcționează în conformitate cu principii complet diferite și au caracteristici distinctive. Lucrările de proiectare și întreținerea fiecăruia necesită mentalități total diferite.

alimentare
În interiorul unui SMPS.

SMPS este acum utilizat pe scară largă datorită eficienței sale mai mari, a costurilor reduse și a greutății și calităților termice mai bune. Există unele dezavantaje, care totuși pot fi atenuate printr-o planificare atentă în etapa de proiectare.

Mai întâi, ca perspectivă, vom revizita vechea sursă de alimentare liniară. A fost o parte familiară a televizoarelor analogice CRT, contribuind la greutatea considerabilă din cauza transformatorului de putere grea. Acest lucru a fost totuși un plus, deoarece mai multe robinete secundare au pus la dispoziție orice număr de tensiuni, după cum este necesar pentru polarizare, filamente, devierea tubului de imagine etc.

În sursele de alimentare liniare, dispozitivele active funcționează în porțiunea liniară a curbelor lor de răspuns. Acest lucru este în contrast cu SMPS, unde mai întâi puterea de intrare este convertită în unde pătrate cu ciclu de funcționare diferit. Componentele active funcționează în moduri neliniare. Când componentele funcționează în porțiuni liniare ale curbelor de răspuns, ele acționează efectiv ca rezistențe variabile care disipă puterea (din cauza I 2 R). Acesta este motivul pentru care o cantitate considerabilă din puterea de intrare este disipată sub formă de căldură și aceasta este situația într-o sursă de alimentare liniară.

Alimentarea liniară constă dintr-o serie de etape. Linia de curent alternativ, de multe ori începând cu o mufă pentru a prelua 120-V, curent monofazat, trece printr-o deschidere cu capăt în dulap unde, la punctul de intrare, există întotdeauna o siguranță și un comutator cu lumină de alimentare opțională. Alimentează primarul transformatorului de putere, care poate avea orice număr de înfășurări secundare. Pe lângă capacitatea de a furniza o serie de tensiuni, acest tip de transformator nu are nicio conexiune electrică între înfășurările primare și secundare, deci este cunoscut sub numele de transformator de izolare. (Împământarea nu trece printr-un transformator decât dacă este un autotransformator, unde primarul și secundarul sunt o singură înfășurare, apăsate în diferite puncte.)

Ce este bun la sursa de alimentare liniară este că fluxul de energie este ușor de urmărit. Merge la redresor, format din una sau mai multe diode, la condensatori de filtrare electrolitică, conectați în paralel pentru a elimina ondulația de curent alternativ și, ocazional, la inductoare mai scumpe conectate în serie pentru a purifica continuu curentul continuu. Apoi vine un regulator liniar și o ieșire de curent continuu final. Totul este ușor de proiectat și diagnosticat. Cei mai comuni producători de probleme sunt condensatoarele electrolitice, care pot fi inspectate vizual și verificate cu un multimetru.

După cum s-a menționat anterior, semiconductorii dintr-o sursă liniară pot forma efectiv o rezistență mare care disipă căldura, iar sursele liniare încorporează componente voluminoase (cum ar fi transformatorul) care fac ca sursa să fie fizic mare. Pentru aparatele mici de consum, este posibil ca căldura să nu fie o problemă, dar dimensiunile și greutatea componentelor mai mari ar putea fi. Telefoanele mobile și laptopurile așa cum le știm nu ar fi posibile cu surse de alimentare liniare.

În schimb, un SMPS încorporează un tranzistor care funcționează ca un comutator digital. Comutatorul este fie dezactivat, practic fără curent, fie complet pornit, cu rezistență redusă. Singura dată când se generează căldură și trebuie disipată în timpul tranzițiilor de pornire/oprire. Timpurile extrem de rapide de creștere și cădere ale valului pătrat fac ca aceste tranziții să dispară scurt. Acest factor explică marea eficiență a SMPS. Mai mult, așa cum vom vedea, transformatorul de izolare funcționează la frecvența de comutare, deci poate fi mai mic în comparație cu transformatorul de linie de alimentare de 60 Hz, care este o parte esențială a sursei de alimentare liniare.

Dimensiunea redusă a componentelor, eficiența mai mare și costurile reduse au dus la utilizarea pe scară largă a SMPS în aproape toate echipamentele electronice. Inovațiile recente au permis utilizarea acestuia în aplicații de mare putere. Dar implementarea SMPS nu a fost complet lipsită de probleme. Una dintre acestea este generarea de zgomot electronic, care, dacă nu este atenuat, poate apărea atât la intrarea, cât și la ieșirea SMPS. În plus, zgomotul electronic generat de procesul de comutare se poate propaga ca radiație de pe dispozitiv. Acest lucru se datorează faptului că unda pătrată, cu timpul său de creștere și cădere aproape instantanee, seamănă cu o sursă de energie de înaltă frecvență bogată în armonici dăunătoare.

Când este pornit, SMPS prezintă curent de intrare, care poate afecta echipamentele sensibile din apropiere prin intermediul sistemului de distribuție a energiei. O altă problemă potențială cauzată de armonici este încălzirea conductorului neutru din sursa de alimentare. Soluția este de a supradimensiona acest fir. În general vorbind, chiar și acolo unde sunt necesare îmbunătățiri, beneficiile generale în SMPS sunt semnificative, indiferent de scalare.

Reglarea tensiunii este o parte integrantă a SMPS. Funcționează prin variația raportului între timp activ și timp oprit. Această tehnică este un avans decisiv asupra sursei de alimentare liniare, unde tensiunea de ieșire trebuie disipată în semiconductor.

Ieșirea SMPS este o funcție a intrării sale, dar nu în funcție de raportul de rotații primare și secundare în transformatorul de putere, ca într-o sursă liniară. În schimb, o configurație tipică într-un SMPS este aceea de a avea o tensiune de curent continuu în serie cu un inductor și un comutator, acționat de o undă pătrată. Măsurată pe întrerupător, tensiunea de la vârf la vârf poate depăși tensiunea de curent continuu măsurată la intrare. Acesta este unul dintre motivele pentru care munca SMPS nu este pentru cei slabi.

Tensiunea mai mare apare deoarece inductorul creează o tensiune indusă ca răspuns la schimbările de curent. Această tensiune este adăugată la tensiunea sursei de curent continuu în perioada de timp în care comutatorul este deschis. Un alt rafinament este adăugarea unei diode și a unui condensator la comutator. Tensiunea de vârf va fi stocată în condensator sub formă de încărcare electrică. În acest moment, condensatorul devine o sursă de curent continuu și tensiunea totală de ieșire devine mai mare decât tensiunea de curent continuu la intrare. Acesta este un convertor boost care funcționează pe DC, nu pe AC. Este modul de comutare echivalent cu transformatorul step-up într-o sursă liniară.

O altă variantă a modului de comutare este un convertor Buck-Boost care modifică polaritatea ieșirii în raport cu intrarea. O altă implementare este un circuit buck care mărește curentul mediu de ieșire, prețul plătit fiind o tensiune de ieșire mai mică.

Există multe variabile în modul în care este configurat un SMPS. Debitul curentului de ieșire este întotdeauna o funcție a puterii de intrare. Dar cu numeroase topologii de circuite și diverse metode de acționare a comutatorului - cum ar fi modularea lățimii impulsurilor - există combinații nesfârșite. Astfel, există o curbă de învățare mult mai abruptă în comparație cu sursa de alimentare liniară.

Dificultatea principală atunci când se fac măsurători ale unui SMPS este că deseori forma de undă de interes este o ondulație la nivel de milivolți așezată deasupra unui semnal din gama de 100 V. În mod similar, componentele din sursă pot funcționa la aproximativ 100 V într-o stare și la milivolți în alta. Acest tip de gamă dinamică mare poate pune o problemă pentru domeniile de digitalizare pe opt biți obișnuite în laboratoarele de electronică.

De exemplu, o măsurătoare SMPS obișnuită este de a determina pierderea de comutare și pierderea medie de putere pe dispozitivul de comutare. Primul pas este de a determina tensiunea pe dispozitivul de comutare în timpul perioadelor de oprire și pornire. Tensiunea de pe dispozitivul de comutare are un interval dinamic ridicat. Tensiunea pe dispozitivul de comutare în timpul stării de pornire depinde de tipul dispozitivului de comutare. Tensiunea în stare oprită depinde de tensiunea de intrare de funcționare și de topologia de alimentare. La tensiunea maximă de intrare pentru un SMPS cu o intrare de 120 V, tensiunea în starea oprită de pe dispozitivul de comutare poate fi de până la 750 V. În timpul stării pornite,
tensiunea pe aceleași terminale poate varia de la câțiva milivolți la aproximativ un volt.

Pentru a capta astfel de semnale, gama verticală a osciloscopului ar fi setată la 100 V/div. La această setare, multe domenii vor accepta tensiuni de până la 1 kV. Problema utilizării acestei setări este că amplitudinea minimă a semnalului pe care o gamă de opt biți poate fi rezolvată este de 1.000/256, sau aproximativ 4 V.

Unele domenii moderne oferă software pentru aplicații de alimentare care abordează problema, permițând utilizatorului să introducă valorile RDSON sau VCEsat pentru comutatorul principal cu semiconductor din foaia de date a dispozitivului, în loc să încerce să le măsoare direct. Alternativ, dacă tensiunea măsurată se încadrează în sensibilitatea scopului, software-ul aplicației poate utiliza datele obținute pentru calculele sale, mai degrabă decât valorile introduse manual.

Iată cum Tektronix descrie efectele întârzierii propagării asupra măsurătorilor de tensiune și curent SMPS. Tek este unul dintre factorii de decizie care furnizează pachete pentru descriere și dificultăți similare care vor rezolva problema echipamentelor sale.

O altă problemă care apare în măsurătorile SMPS se referă la utilizarea sondelor de tensiune și curent. Este necesar să se măsoare tensiunea și curentul prin dispozitivul de comutare, fie un MOSFET, fie un tranzistor bipolar (de obicei un IGBT). Sarcina necesită două sonde separate: o sondă diferențială de înaltă tensiune și o sondă de curent. Fiecare dintre aceste sonde are o întârziere de propagare diferită. Diferența dintre aceste două întârzieri, cunoscută
ca înclinare, determină măsurători de sincronizare inexacte și distorsiuni în formele de undă de putere afișate.

Întârzierile de propagare a sondei pot avea impact asupra măsurătorilor maxime de putere de vârf pur și simplu pentru că puterea este produsul tensiunii și curentului. Dacă cele două variabile multiplicate nu sunt perfect aliniate în timp, rezultatul va fi greșit.

Din fericire, există modalități de a descărca citirile sondei, astfel încât acuratețea măsurătorilor, cum ar fi pierderea de comutare, să nu sufere. Unele programe de măsurare a puterii vor deranja automat sondele. Aici software-ul preia controlul osciloscopului și reglează întârzierea dintre canalele de tensiune și curent utilizând semnalele de curent și tensiune.

De asemenea, este disponibilă o funcție statică de înclinare. Această funcție folosește faptul că anumite sonde de tensiune și curent au întârzieri de propagare constante și repetabile. Un tabel încorporat al timpilor de propagare pentru sondele selectate permite funcției statice de înclinare regla automat întârzierea dintre canalele de tensiune și curent selectate.

Sondele diferențiale și de curent pot avea mici compensări care ar trebui îndepărtate înainte de a lua măsurători. Unele sonde au o metodă încorporată, automatizată pentru eliminarea offset-ului. Alte sonde necesită îndepărtarea manuală a decalajului. Majoritatea sondelor de tensiune diferențială au comenzi încorporate de decupare DC, ceea ce face ca îndepărtarea offsetului să fie relativ simplă.

În mod similar, sondele de curent necesită ajustare înainte de a efectua măsurători. Sondele diferențiale și de curent sunt dispozitive active și vor exista întotdeauna un zgomot de nivel scăzut, chiar și în starea de repaus. Acest zgomot poate degrada măsurătorile care se bazează atât pe datele de formă de undă de curent, cât și de tensiune. În consecință, unele programe de măsurare a puterii includ funcții de condiționare a semnalului care minimizează impactul zgomotului inerent al sondei.

În cele din urmă, există întreaga problemă a factorului de putere, care este o preocupare a managerului instalației, precum și a utilității. O sursă de alimentare liniară are de obicei un factor de putere scăzut. Un SMPS care nu are corecția factorului de putere atrage o cantitate mare de curent care coincide cu vârfurile formei de undă ac. Această problemă poate fi atenuată cu o corectare a factorului de putere bine concepută. În mod similar, curentul mare de intrare într-un SMPS poate fi atenuat de echipamentele de pornire soft.

Pentru a rezuma, comparativ cu o sursă de alimentare liniară, SMPS este eficient și cost redus. Cu toate acestea, complexitatea sa mult mai mare necesită expertiză care depășește simpla electronică.