Aký je rozdiel medzi spínaným a konvenčným napájacím zdrojom: vlastnosti a rozdiely

Prevažná väčšina modernej elektroniky pracuje na jednosmerný prúd s nízkym prúdom a napätím. Napríklad smerovače používajú 12 voltov a 5 ampérov a smartfóny väčšinou 5 voltov a 2 ampéry. Rozdiel je však v tom, že prúd tečúci v domácej sieti je úplne iný: striedavý prúd s frekvenciou 60 Hz, 220 voltov a (zvyčajne) do 6 ampérov.

Aby bolo možné používať elektronické spotrebiče v domácom obvode, musí sa tento prúd nejakým spôsobom konvertovať. Na to sa používajú napájacie zdroje. Ich úlohou je premeniť prúd na určité napätie, silu prúdu a frekvenciu (premena striedavého prúdu na jednosmerný).

Ak si máme vybrať vhodnú napájaciu jednotku alebo si ju postaviť sami, často sa môžeme stretnúť s dvoma variantmi – bežnými, transformátorovými a impulznými. A v čom je rozdiel, okrem zložitosti návrhu, nie je vždy jasné. V tomto článku sa preto pozrieme na rozdiely medzi spínanými a bežnými napájacími zdrojmi a preskúmame ich vlastnosti a rozdiely.

Bežné napájacie zdroje (transformátorový typ)

Transformátorové napájacie zdroje sú jedným z prvých zariadení na premenu elektrickej energie. Sú analógového typu a vyznačujú sa jednoduchou konštrukciou a pomerne vysokou spoľahlivosťou. Majú však aj niektoré veľké nevýhody, ako napríklad nadmerné rozmery.

Transformátor je hlavným funkčným prvkom týchto PSU. Skladá sa z dvoch indukčných cievok. Prvý z nich odoberá elektrickú energiu z 220-voltovej domácej siete a vytvára elektromagnetické pole. Indukuje indukciu a vytvára elektromotorickú silu na druhej jednotke. Zníženie napätia možno dosiahnuť týmto spôsobom.

Elektrický prúd generovaný na znižovacej cievke sa potom prenáša do usmerňovacej jednotky. Zvyčajne pozostáva z viacerých výkonových diód zapojených v mostíkovej konfigurácii. Na vyhladenie pulzujúceho napätia sa používa kondenzátor zapojený paralelne s diódovým mostíkom a potom ho stabilizujú výkonové tranzistory.

Výstupom je jednosmerný prúd určitého napätia a sily. Na reguláciu parametrov svojej činnosti používajú špeciálne ladiace rezistory, ktoré sú súčasťou regulačného obvodu.

Konvenčné PSU (transformátorový typ) sa vyznačujú maximálnou konštrukčnou jednoduchosťou. V schéme zapojenia tejto základnej jednotky sú len tri časti: systém cievok, diódový mostík a kondenzátor.

Hlavné výhody bežných napájacích zdrojov:

1. Jednoduchá montáž a dizajn. Napájací zdroj si môžete zostaviť sami – musíte len pochopiť princíp fungovania a presne vedieť, na čo chcete zariadenie používať;

2. Vysoká spoľahlivosť a odolnosť. Životnosť jednotiek je pri správnej prevádzke takmer neobmedzená. Takže aj dnes je možné nájsť funkčné modely vyrobené pred viac ako niekoľkými desaťročiami;

3. Nízka dostupnosť komponentov. Všetky potrebné súčiastky sa dajú zakúpiť na rádiových trhoch, u rádioamatérov a v špeciálnych predajniach, nie je potrebné objednávať žiadne špecifické čipy zo zahraničia;

4. Žiadne parazitné prúdy rádiových vĺn. Tým sa prakticky eliminuje rušenie zo siete alebo od spotrebiteľa.

Hlavné nevýhody bežných napájacích zdrojov:

1. Nízka účinnosť. Pri prenose elektrickej energie metódou transformátora sa veľká časť energie jednoducho stratí. Okrem toho sa dodatočne stráca určitá účinnosť v dôsledku použitia stabilizátora na výstupe, aby sa dosiahli stabilné prevádzkové parametre;

2. Veľké. Okrem toho, čím výkonnejší je zdroj PSU, tým väčšia je jeho hmotnosť a rozmery. V dôsledku toho môžu byť vysoko výkonné vôbec málo pohyblivé;

3. Vytvorenie významného elektromagnetického poľa. Týmto spôsobom môžu vytvárať šum v iných signálových cestách – napr. v koaxiálnych kábloch alebo krútených dvojlinkách.

Všetky tieto nevýhody sú natoľko kritické, že dnes sa bežné PSU v domácnostiach takmer nepoužívajú. Namiesto neho sa používajú pulzné.

Spínané napájacie zdroje

Spínané napájacie zdroje sú zložité zariadenia typu invertor, t. j. Hlavným rozdielom oproti bežným napájacím zdrojom je, že vstupné napätie sa privádza priamo do usmerňovača. Potom generuje impulzy s určitou frekvenciou. Za to je zodpovedný samostatný riadiaci subsystém, takže spínané zdroje sú kompletné digitálne zariadenia.

Keďže spínané napájacie zdroje sú notoricky známe svojou zložitou konštrukciou a zapojením, nie je vhodné diskutovať o ich zapojení v rámci tohto článku.

1. Prúd zo siete sa privádza do sieťového filtra, ktorý minimalizuje vstupné a výstupné skreslenie;

2. Menič transformuje sínusový striedavý prúd na pulzný jednosmerný prúd;

3. Menič riadený prostredníctvom riadiaceho modulu generuje z pulzného jednosmerného prúdu obdĺžnikové vysokofrekvenčné signály;

4. Prúd sa privádza do impulzného transformátora, ktorý dodáva napätie rôznym komponentom samotného PSU, ako aj záťaži;

5. Prúd potom prechádza do výstupného usmerňovača a je vyhladený výstupným filtrom.

Poskytuje nielen vysokú účinnosť, ale aj malé rozmery. Okrem toho, čím vyššia je pulzná frekvencia, tým kompaktnejší je PSU bez potreby masívneho transformátora.

Hlavné výhody spínaných napájacích zdrojov:

1. Vysoká účinnosť, zvyčajne okolo 98 %. Malé straty sú spôsobené prechodnými procesmi, ktoré vznikajú pri prepínaní kľúča. Tie sú však príliš bezvýznamné na to, aby sa brali do úvahy;

2. Kompaktné rozmery a nízka hmotnosť. Je to preto, že pulzné zdroje jednosmerného prúdu nevyžadujú masívny transformátor.

Hlavné nevýhody spínaných napájacích zdrojov:

1. Štrukturálna zložitosť. Je takmer nemožné zostaviť takéto zariadenie doma bez znalostí elektroniky alebo elektrotechniky;

2. Výrazné teplo v prevádzke. Preto sú vysokovýkonné pulzné jednotky vybavené prídavnými chladiacimi systémami, ktoré zvyšujú veľkosť a hmotnosť jednotky;

3. Vystavenie vysokofrekvenčnému hluku. V dôsledku toho sú takéto napájacie zdroje pre použitie v citlivých zariadeniach vybavené filtrom šumu, ale ani ten neposkytuje 100 % ochranu pred týmto „nevyžiadaným signálom“;

4. Menovitý výkon záťaže musí byť v menovitom rozsahu. Ak je táto hodnota prekročená alebo nedosiahnutá, dochádza k výkyvom výstupného napätia. Výrobcovia s týmto javom vo všeobecnosti počítajú a zabezpečujú ochranu proti takýmto poruchám.

Vďaka ich kompaktným rozmerom a vysokej účinnosti sa spínané napájacie zdroje veľmi rozšírili. Dnes sa používajú v nabíjačkách mobilných telefónov, počítačov a domácich spotrebičov, ako aj v elektronických predradníkoch pre svietidlá.

Porovnanie spínaných a konvenčných napájacích zdrojov

Porovnajme tieto dva typy zariadení, aby sme určili, ktoré je pre jednotlivé situácie najvhodnejšie.

Pri rovnakých podmienkach je vhodnejšie používať pulzné PSU. Ponúkajú vyššiu účinnosť a vážia len niekoľko desiatok gramov. V niektorých precíznych aplikáciách sú však konvenčné konštrukcie vhodnejšie, pretože nezaťažujú výstupný signál rušením.