Skift strømforsyning

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Skift strømforsyning i en DVD -afspiller

En switch mode strømforsyning (SNT, også SMPS af engelsk switched mode strømforsyning) eller switch strømforsyning er en elektronisk samling, der konverterer en ureguleret indgangsspænding til en konstant udgangsspænding. I modsætning til transformatorens strømforsyninger og seriens spændingsregulatorer er en strømforsyning i switch-mode yderst effektiv. Skiftende strømforsyninger tilhører gruppen af strømomformere .

I modsætning til konventionelle strømforsyninger med en stor netfrekvens- transformer finder konverteringen i switch-mode strømforsyningen sted med en højere frekvens, da transformere kræver mindre magnetisk kernevolumen ved høje frekvenser for den samme effekt. For at gøre dette bliver netspændingen sædvanligvis udbedret , filtreret , hakket til en højere frekvensspænding ved hjælp af en elektronisk switch (deraf navnet switch-mode strømforsyning) og efter transformationen i højfrekvent mellemkredsløbet rektificeret igen til den ønskede spænding.

Teknisk baggrund

Konventionelle strømforsyninger indeholder en transformer til galvanisk isolering og spændingstransformation. Den maksimale effekt, der kan transmitteres med transformere via den bløde jernkerne, stiger nogenlunde proportionalt med massen ved en konstant frekvens. Hvis transformatoren drives med en højere frekvens, kan det samme jernmængde overføre mere strøm. Stigningen i specifik effekt er igen nogenlunde proportional med massen. Følgende gælder tilsvarende: Transformatorens masse (jern- eller ferritkerne og kobberviklinger) kan reduceres betydeligt ved en højere frekvens for den samme effekt, hvilket gør strømforsyningsenheden lettere.

Transformatorkernerne på strømforsyninger i switch-mode er lavet af ferrit ( ferromagnetisk keramik ) eller jernpulver for at reducere hysterese og virvelstrømstab . Ved højere frekvenser, på grund af huden virkning, de er viklinger fremstillet som fladt kobberbånd eller ved hjælp af højfrekvente snoet tråd (tynde tråde forbundet i parallel mod hinanden). En transformer, der er egnet til at transmittere 4000 watt, vejer f.eks.

  • ved 50 Hz omkring 25 kg
  • ved 125 kHz derimod kun 0,47 kg.

De hurtige strøm- og spændingsændringer i strømforsyninger i switch-mode fører til udsendelse af højfrekvente interferensspændinger , som kræver netfiltre , afskærmninger og udgangsfiltre for ikke at overskride de tilladte interferensfelter.

Ansøgning og egenskaber

På grund af den høje effekttæthed, der kan opnås, bruges strømforsyninger i switch-mode primært til at spare masse og materiale.

I modsætning til konventionelle strømforsyninger med lavere ydelse har strømforsyninger i switch-mode en meget høj effektivitet. De kan derfor findes i nye designs til plug-in strømforsyninger. På grund af de lavere kobbertab i effektområdet under omkring 300 watt har switch-mode strømforsyninger en højere grad af effektivitet (ofte over 90%) end nettransformere og kan konstrueres mere kompakte og lettere end konventionelle strømforsyninger, der indeholder en tung transformer med en jernkerne.

Spændingen konverteres af en ferritkerntransformator , som enten selv fungerer som en induktiv energibuffer, kun med flyback -omformeren, eller med en anden lagerdroppe (diskret induktans ), som derefter fungerer som et energilager. Så meget energi lagres i luftgabet i ferritkernen i transformeren eller chokeren, som er nødvendig for den aktuelle belastning. Reguleringen af ​​udgangsspændingen under belastning er mulig med halvlederkomponenter i det højfrekvente mellemkredsløb og undgår tab af en serieregulator i udgangskredsløbet.

Efter udbedring filtreres udgangsspændingen med kondensatorer og choker for at generere den jævnest mulige direkte spænding . Undtagelsen er såkaldte elektroniske halogentransformatorer, som leverer lampespændingen direkte ved udgangen.

Normalt bør koblingsfrekvensen (krusning) imidlertid fjernes fra udgangsspændingen så fuldstændigt som muligt ( EMC -problem). Skiftefrekvensen placeres i et mindre forstyrrende frekvensområde (f.eks. Over den øvre høretærskel og under den nedre målegrænse for EMC -målinger ved 150 kHz). Forstyrrende frekvenser forekommer ved og over koblingsfrekvensen (arbejdsfrekvens og harmoniske ). Suppression chokes bruges til at reducere interferensen og dens stråling via forsyningsledningerne.

Ofte skubbes ferritkerner også over kablerne, men disse er kun effektive ved meget høje frekvenser ( VHF -område).

Skift af strømforsyninger forårsager også harmoniske på forsyningssiden på grund af ensretteren ved indgangen, som holdes så lave som muligt, da de fører til øgede reaktive tab i strømforsyningsnettet ( harmonisk reaktiv effekt). Den stigende brug af forkert designet strømforsyninger i switch-mode forårsager interferensfrekvenser i elnettet, hvis strømforsyningerne i switch-mode ikke er blevet tilstrækkeligt undertrykt med filtre som foreskrevet.

Derfor skal skiftende strømforsyninger (strømforbrug under 16 A) med en indgangseffekt fra 50 W eller 75 W (afhængigt af enhedsklassen) siden 1. januar 2001 (EN 61000-3-2) effektfaktorkorrektion (Engl. Power Factor Korrektion, "PFC") egen. Dette giver et ekstra, netværksstyret koblingstrin (aktiv PFC ) på indgangssiden for en næsten sinusformet strømkurve. Ofte er der dog kun tilsluttet en stor ledningsdrossel opstrøms, hvilket i det mindste giver omtrent en sinusformet indgangsstrøm (passiv PFC).

konstruktion

Skema for en switch-mode strømforsyning (flyback eller forward converter) med galvanisk isolering.

Regulerede switch-mode strømforsyninger leverer konstante udgangsspændinger eller strømme. Konstanten af ​​outputvariablen opnås ved at styre energistrømmen ind i strømforsyningsenheden og dermed for de tilsluttede forbrugere - der er en lukket kontrolsløjfe .

Undtagelser er uregulerede elektroniske halogen -transformere - disse leverer en vekselstrøm på omkring 45 kHz efter udsving i netspændingen.

Følgende processer finder sted i switch-mode strømforsyningen:

  • Rettelse af AC -netspændingen
  • Udjævning af den resulterende jævnspænding
  • "Hakker" DC -spændingen
  • Transformation af den resulterende vekselstrøm
  • Rettelse af vekselstrøm
  • Screening af DC -spændingen

Med hjælp fra den kontrol kredsløbet opnås det, at så meget energi løber ud i switch-mode-strømforsyning, som er at blive væltet over på forbrugerne. Den nødvendige regulering hertil sker via pulsbredde [1] eller pulsfasestyring. Styringen kan udføres analog eller digital , i det andet tilfælde taler man også om den digitale styresløjfe .

Skiftestrømforsyninger har en ferritkerntransformator for at opnå spændingstransformation og galvanisk adskillelse af udgangs- og indgangssiden. En optokobler er nødvendig for at galvanisk adskille kontrolsløjfen fra lysnettet. Alternativt kan koblingssignalerne også transmitteres til effekttransistorer via hjælpetransformatorer for at opnå potentiel adskillelse. På denne måde afbrydes hele styreelektronikken fra netværket. I figuren ovenfor opnås adskillelsen ved hjælp af en transformer og en optokobler i regulerings- og styrekredsløbet.

I illustrationen fungerer en switch-transistor i transformatorens primære kredsløb, hvorfor denne type primær switch-mode strømforsyning kaldes. Primære switch-mode strømforsyninger har ferritkerntransformatorer, der drives med en høj frekvens (driftsfrekvensen for switch-mode strømforsyningen, typisk 15 ... 300 kHz) og er derfor meget små.

Hvis switch-transistoren fungerer i transformatorens sekundære kredsløb, taler man om sekundære switch-mode strømforsyninger. Disse har en transformer, der drives med netfrekvens og har derfor ingen massemæssig fordel i forhold til konventionelle strømforsyninger. Her erstattes kun den lineære spændingsregulator af en spændingsomformer, hvilket forbedrer effektiviteten.

Transistorer ( MOSFET , bipolare transistorer , IGBT ) kan bruges som switches. Thyristorer ( GTO eller med slukningskredsløb) bruges også til høje output.

Schottky -dioder bruges mest som ensrettere på den sekundære side for at opnå den lavest mulige fremspænding og for at sikre de nødvendige hurtige blokeringstider.

På den sekundære side bruges elektrolytkondensatorer med lav seriemodstandsadfærd = ESR som kondensatorer. Ofte er flere elektrolytkondensatorer forbundet parallelt, eller der anvendes elektrolytkondensatorer med en højere nominel spænding, som har en lavere ESR i denne driftstilstand. Den mest almindelige ældning og varme-relaterede svigt i strømforsyningsenhederne er udtørring af elektrolytkondensatorerne eller deres overbelastning, hvis de er underdimensionerede.

Tryk på strøm

Y interferensundertrykkelseskondensator med testmærke

En prikkende fornemmelse kan mærkes på elektrisk ledende, berørbare dele af fuldt isolerede enheder . Denne kontaktstrøm skabes af Y -kondensatorerne, der er indbygget i enheden til interferensundertrykkelse og af parasitiske kapacitanser til fodringsnetværket. Begge er funktioner på enheder med en strømforsyning i switch-mode.

Ifølge VDE -regulativ 0701/0702 må berøringsstrømmen ikke overstige 0,5 mA, hvilket er et af kravene til påsætning af CE -mærket . [2]

Frekvensen og bølgeformen for disse interferensspændinger er ofte forskellige fra netspændingen. Spændingen mod jorden kan måles med højmodstandsmåler og er normalt højere end lavspænding . Den falder dog sammen ved berøring og anses derfor for at være harmløs.

Med fuldt isolerede enheder, der drives på 240 V i USA, er der ofte ingen signifikant spænding, da faserne i det enfasede tretrådsnet (splitfaset elektrisk strøm) er symmetriske i forhold til jorden, og den kapacitive spændingsdeler dannes af enhed, bortset fra interferensspændinger og komponenttolerancer, er indstillet til 0 Hold V. Ved drift på en 115 V fase er spændingsdelen kun halvt så høj som kontaktspændingen på 230 V.

I fjernsyn , satellit -fjernsynsmodtagere og andre enheder med signalindgang tilføres denne spænding signalindgangene (analoge og digitale grænseflader såsom USB, antenneindgange) mod jorden. For at holde denne spænding væk fra enhedernes følsomme indgang, skal signallinjerne være de første ved tilslutning og den sidste ved afbrydelse af enheden.

I beskyttelsesjordede anordninger må der ikke være nogen signifikant spænding på tilgængelige metaldele; dette ville indikere en defekt i den beskyttende jord. Imidlertid hum sløjfer kan forekomme som er baseret på udligningshullerne strømme på grund af meget små spændingsforskelle (sædvanligvis <1 V).

Fordele og ulemper sammenlignet med konventionelle strømforsyninger

fordele
Plug-in strømforsyninger i størrelses sammenligning. Til venstre skifte strømforsyning med 20 watt, til højre konventionel med 3,6 watt udgangseffekt
Plug-in switch-strømforsyning med kun to transistorer uden IC'er (undtagen optokoblere)
  • Høj effektivitet også mulig med lav nominel effekt og skiftende belastninger
  • God styrbarhed og dermed et stort toleranceområde for indgangsspænding og netfrekvens. En omskiftet strømforsyning kan designes til brug med meget forskellige netspændinger (f.eks. 85–255 V, 47–63 Hz).
  • I enheder designet til dette formål kan indgangsspændingen også være en direkte spænding.
  • Lav vægt og lav volumen på grund af mindre transformere og mindre sekundære filterkondensatorer (høj driftsfrekvens)
  • Lavere kobbervolumen
  • Lavere standby -forbrug muligt
  • Billigere end lineært regulerede strømforsyninger uden et mellemkredsløb
  • Ofte kræves ingen termostater eller termiske sikringer , da overstrømsbeskyttelse er tilstrækkelig til kredsløbets egenskaber.
ulempe
  • På grund af skifteoperationen med høje frekvenser er foranstaltninger for at forbedre EMC -adfærden (interferensemission) nødvendige. Skift mellem strømforsyninger kan være kilder til elektromagnetisk interferens.
  • Deformation af netstrømmen (strømimpulser) på grund af den reaktive effekt til opladningsprocesserne for elektrolytkondensatorerne på indgangssiden. Skiftende strømforsyninger forårsager en forvrængning af forsyningsspændingen, se Total harmonisk forvrængning . Afhjælpning: Power Factor Correction (engl. Power Factor Correction, kort tid PFC); ordineret siden 2001 til SMPS med mindre end 16 A indgangsstrøm, men 50 watt eller 75 watt indgangseffekt (afhængigt af enhedsklassen)
  • Dårlig kontroladfærd sammenlignet med den konventionelle serieregulator med meget hurtige belastningsændringer eller med meget lave belastninger
  • Større kompleksitet af kredsløbet, flere komponenter og derfor en statistisk højere sandsynlighed for fejl
  • Problematisk med lave belastninger (tendens til at svinge). Løsning: forudindlæsning
  • Mere belastede passive komponenter. Egnede kondensatorer med lav ESR er påkrævet til de høje krusningsstrømme , som igen har indflydelse på effektivitet, krusning af udgangsspændingen og EMC -adfærd.

Anvendelsesområder

Kredsløbstyper

Ud over udbedringen af netspændingen består strømforsyninger i switch-mode af en galvanisk isoleret DC-spændingsomformer ; de tælles også blandt de primære uromformere. De sædvanlige topologier er flyback-konvertere , single-ended flux-konvertere og push-pull- flux-konvertere til stigende kræfter. En komplet liste over de forskellige topologier er udarbejdet under DC / DC -omformere.

Sekundære switch-mode strømforsyninger er en forældet teknologi til almindelig brug. De består af en konventionel transformer strømforsyning med en nedstrøms step-down converter stedet af serien regulator . De opnår ikke den høje effektivitet af primære urkredsløb.

For strømforsyninger i switch-mode, der ligesom pc-strømforsyninger genererer flere udgangsspændinger, kan koblingsspændingsregulatoren installeres på den sekundære side, da den kan overvåge udgangsspændingerne der direkte. Omskiftningstransistorer på den primære side styres af koblingsspændingsregulatoren (også switchende strømforsyningsregulator) via galvanisk isolation, såsom transformere (impulstransformere) eller optokoblere.

litteratur

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Semiconductor circuit technology . 13., reviderede udgave. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-642-01621-9 .
  • Otmar Kilgenstein: Skifte strømforsyning i praksis. Typer af koblingsregulatorer, deres egenskaber og komponenter, eksekverede og målte eksempler . 3. Udgave. Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-1436-0 .
  • Ulrich Schlienz: Skifte strømforsyninger og deres eksterne enheder. Dimensionering, brug, EMC . 4. udgave. Vieweg + Teubner , Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0613-0 .

Weblinks

Wiktionary: Schaltnetzteil - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Commons : Switching Power Supplies - Samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. Valter Quercioli: Pulsbreddemodulerede (PWM) strømforsyninger . Elsevier, Amsterdam 1993
  2. https://www.heise.de/ct/hotline/Kribbelndes-Notebook-1486059.html Kribbelndes notesbog fra c't nummer 9/12 (ea)