Ero lineaarisen virtalähteen ja kytkentävirtalähteen välillä
Muuntoperiaatteen mukaan teholähteet voidaan luokitella lineaarisiin teholähteisiin ja hakkuriteholähteisiin. Kun luokittelemme lineaariset teholähteet ja hakkuriteholähteet, meidän on itse asiassa selvitettävä, onko se AC/DC vai DC/DC. Vaikka tämän luokituksen tarkoituksena on erottaa muunnoksen periaatteet. Mutta ovatko lineaariset virtalähteet ja kytkentävirtalähteet, jotka saavuttavat AC/DC-toiminnot, täydellistä prosessia AC:n muuntamiseksi tasavirtaan, ja jotkin piireistä koostuvat DC/DC:stä.
Lineaarinen virtalähde ja hakkurivirtalähde AC/DC:lle
On monia oppikirjoja, kirjoja ja artikkeleita, joissa viitataan suoraan lineaarisiin virtalähteisiin "AC/DC:n lineaarisina virtalähteinä". Mikä on lineaarinen virtalähde? Lineaarinen teholähde alentaa ensin AC-tehon jänniteamplitudia muuntajan kautta, sitten tasasuuntaa sen tasasuuntaajapiirin kautta pulssillisen tasavirran saamiseksi ja sitten suodattaa sen saadakseen tasajännitteen pienellä aaltoilujännitteellä.
Lineaarisen AC/DC-virtalähteen ja hakkuriteholähteen ominaisuudet eroavat seuraavasti:
AC/DC:n lineaarista teholähdettä vähennetään ensin AC-jännitteellä tehotaajuusmuuntajan avulla ja sitten tasasuuntaus. Jännitteen pienentämisen jälkeen muuntajan kautta jännite on laskenut suhteellisen alhaiseksi ja jännitteen stabilointiin voidaan käyttää tehosiruja, kuten kolminapaista jännitesäädintä. Lineaarisen virtalähteen säätöputki toimii vahvistetussa tilassa, mikä johtaa korkeaan lämmöntuotantoon ja alhaiseen hyötysuhteeseen (liittyy jännitehäviöön), mikä vaatii tilaa vievän jäähdytyselementin lisäämisen. Tehotaajuusmuuntajien tilavuus on myös suhteellisen suuri, ja kun tuotetaan useita jännitelähtösarjoja, muuntajan tilavuus on suurempi.
AC/DC-hakkuriteholähteen säätöputki toimii kyllästymis- ja katkaisutilassa, mikä johtaa alhaiseen lämmöntuotantoon ja korkeaan hyötysuhteeseen. AC/DC hakkuriteholähde eliminoi kookkaiden tehotaajuusmuuntajien tarpeen. AC/DC-hakkuriteholähteen DC-lähdössä on kuitenkin suurempia aaltoiluja, joita voidaan parantaa kytkemällä jännitteensäädindiodi lähtöpäähän. Lisäksi kytkinputken toiminnan aikana syntyvän korkean pulssin häiriöhuipun vuoksi magneettiset helmet on kytkettävä sarjaan piirissä parantamiseksi. Suhteellisesti sanottuna lineaarisen virtalähteen aaltoilu voidaan tehdä hyvin pieneksi. Hakkuriteholähteet voidaan saavuttaa erilaisilla topologisilla rakenteilla, kuten jännitteen aleneminen, tehostaminen ja tehostaminen, kun taas lineaarisilla teholähteillä voidaan saavuttaa vain jännitteen alentaminen.
Monet varhaiset virtalähteet olivat suhteellisen raskaita, ja niiden muunnosperiaate oli AC/DC lineaarinen teholähde, joka käytti sisäisesti tehotaajuusmuuntajaa. Lineaarinen AC/DC-virtalähde käyttää ensin muuntajaa AC-jännitteen alentamiseksi. Tämän tyyppistä muuntajaa, joka vähentää suoraan verkkojännitteen, kutsutaan tehotaajuusmuuntajaksi, kuten kuvassa 1.9. Tehotaajuusmuuntajat, jotka tunnetaan myös nimellä matalataajuiset muuntajat, erottavat ne suurtaajuisista muuntajista, joita käytetään hakkuriteholähteissä. Tehotaajuusmuuntajia käytettiin aiemmin laajasti perinteisissä virtalähteissä. Sähköteollisuuden verkkovirran vakiotaajuus, joka tunnetaan myös nimellä verkkovirta ("verkkovirta" tarkoittaa pääasiassa kaupunkien asukkaiden käyttämää virtalähdettä), on Kiinassa 50 Hz ja muissa maissa 60 Hz. Muuntajaa, joka voi muuttaa vaihtovirran jännitettä tällä taajuudella, kutsutaan tehotaajuusmuuntajaksi. Tehotaajuusmuuntajat ovat yleensä kooltaan suurempia kuin suurtaajuusmuuntajat. Tehotaajuusmuuntajilla toteutetun lineaarisen AC/DC teholähteen määrä on siis suhteellisen suuri.
AC/DC-hakkuriteholähde vaatii ensin tasasuuntaamisen ja suodatuksen vaihtovirtalähteen muodostamiseksi likimääräisen tasajännitteen muodostamiseksi ja sitten kytkimen ohjaamisen korkeataajuisten pulssien tuottamiseksi, jotka muunnetaan muuntajan kautta. AC/DC-kytkentävirtalähteellä on suurempi hyötysuhde ja pienempi koko. Yksi tärkeä syy sen pieneen kokoon on, että suurtaajuusmuuntajat ovat paljon pienempiä kuin tehotaajuusmuuntajat. Miksi mitä suurempi taajuus on, sitä pienempi muuntajan tilavuus?
Muuntajan ydinmateriaaleilla on kyllästymisrajat, joten magneettikentän huippuvoimakkuudella on rajansa. Vaihtovirran virta, magneettikentän voimakkuus ja magneettivuo ovat kaikki sinimuotoisia signaaleja. Tiedämme, että saman amplitudin sinisignaaleilla mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi signaalin "muutosnopeuden" huippu (hetki, jolloin sinisignaali ylittää nollan, on "muutosnopeuden" huippu muutos signaalin huipulla on 0). Samaan aikaan indusoitu jännite määräytyy magneettivuon muutosnopeuden mukaan. Joten samalla jännitteellä kierrosta kohti, mitä korkeampi taajuus, sitä pienempi on vaadittava huippumagneettivuo. Mutta kuten edellä mainittiin, magneettikentän voimakkuuden huippuarvo on rajoitettu. Siksi, jos magneettivuon vaatimusta pienennetään, rautasydämen poikkileikkausalaa voidaan pienentää. Yllä oleva analyysi olettaa saman jännitteen kierrosta kohti. Ja jännite per kierros on suhteessa tehoon. Oletetaan siis sama teho. Jos teho on pienempi, virta on myös pienempi ja sallittu lanka on ohuempi ja vastus on hieman suurempi, kierrosten määrää voidaan lisätä. Tällä tavalla myös kierrosta kohden oleva jännite pienenee, mikä voi myös vähentää magneettivuon tarvetta. Vähennä sitten äänenvoimakkuutta. Myös yllä oleva analyysi olettaa, että materiaali on vakio, eli kyllästymisen magneettikentän voimakkuus on vakio. Tietysti, jos käytetään materiaaleja, joilla on korkeampi kyllästysmagneettikentän voimakkuus, voidaan tilavuutta myös pienentää. Tiedämme, että verrattuna samankokoisiin muuntajiin vuosikymmeniä sitten, muuntajat ovat nykyään paljon pienempiä, koska niissä käytetään nyt uusia rautasydänmateriaaleja.
Maxwellin yhtälön mukaan muuntajan kelassa indusoitunut sähkömotorinen voima E on
Toisin sanoen magneettivuon tiheyden B muutosnopeuden integraali N johdinkierroksen aikana, jonka pinta-ala on Ac.
Muuntajien osalta muuntajan ensiöpuolen indusoitunutta sähkömoottorivoimaa E ja tulopuolelle kohdistettua jännitettä U voidaan pitää lineaarisena suhteena. Olettaen, että U:n amplitudi muuntajan tulopuolella pysyy muuttumattomana, voidaan katsoa, että myös E:n amplitudi pysyy muuttumattomana.
Lisäksi jokaisen magneettisydämen tyypin magneettivuon tiheydelle B on yläraja. Korkeataajuisissa sovelluksissa käytetty ferriitti on noin muutama kymmenesosa Teslasta, kun taas tehotaajuussovelluksissa käytetty rautasydän on noin tasoa, joka on hieman suurempi kuin yksi, pienellä erolla.
Siksi taajuuden kasvaessa magneettivuon tiheyden dB/dt muutosnopeus jokaisen jakson aikana kasvaa merkittävästi, edellyttäen, että huippumuutos magneettivuon tiheydessä B ei ole merkittävä. Siksi pienempää Ac:tä tai N:ää voidaan käyttää saman indusoidun sähkömotorisen voiman E saavuttamiseksi. Ac:n lasku tarkoittaa magneettisydämen poikkileikkausalan pienenemistä; N:n lasku tarkoittaa, että magneettisydämen tyhjän ikkunan pinta-alaa voidaan pienentää, mikä voi auttaa saavuttamaan pienemmän magneettisydämen tilavuuden. Korkeataajuisen muuntajan poikkipinta-ala on pienempi ja käämin kierrosten määrä pienenee, jolloin tilavuus pienenee.
Hakkuriteholähteen säätöputki toimii kyllästymis- ja katkaisutilassa, mikä johtaa alhaiseen lämmöntuotantoon ja korkeaan hyötysuhteeseen. AC/DC hakkuriteholähteet eivät vaadi suurten tehotaajuusmuuntajien käyttöä. Hakkuriteholähteen DC-lähdössä on kuitenkin suuria aaltoiluja. Lisäksi kytkentätransistorin toiminnan aikana syntyvän suuren pulssihuipun häiriön vuoksi on myös välttämätöntä suodattaa virtalähde piirissä tehonsyötön laadun parantamiseksi. Suhteellisesti sanottuna lineaarisissa virtalähteissä ei ole yllä olevia vikoja, ja niiden aaltoilu voi olla hyvin pientä.
