Circuiti elettronici - SMPS
Gli argomenti trattati fino ad ora rappresentano diverse sezioni dell'alimentatore. Tutte queste sezioni insieme formano il fileLinear Power Supply. Questo è il metodo convenzionale per ottenere CC dall'alimentazione CA in ingresso.
Alimentazione lineare
Il Linear Power Supply (LPS) è l'alimentatore regolato che dissipa molto calore nel resistore in serie per regolare la tensione di uscita che ha un basso ripple e basso rumore. Questo LPS ha molte applicazioni.
Un alimentatore lineare richiede dispositivi semiconduttori più grandi per regolare la tensione di uscita e genera più calore con conseguente minore efficienza energetica. Gli alimentatori lineari hanno tempi di risposta ai transienti fino a 100 volte più veloci degli altri, il che è molto importante in alcune aree specializzate.
Vantaggi di LPS
- L'alimentazione è continua.
- Il circuito è semplice.
- Questi sono sistemi affidabili.
- Questo sistema risponde dinamicamente alle modifiche di carico.
- Le resistenze del circuito vengono modificate per regolare la tensione di uscita.
- Poiché i componenti operano in una regione lineare, il rumore è basso.
- L'ondulazione è molto bassa nella tensione di uscita.
Svantaggi di LPS
- I trasformatori utilizzati sono più pesanti e grandi.
- La dissipazione del calore è maggiore.
- L'efficienza dell'alimentatore lineare è dal 40 al 50%
- La potenza viene sprecata sotto forma di calore nei circuiti LPS.
- Si ottiene una singola tensione di uscita.
Abbiamo già esaminato diverse parti di un alimentatore lineare. Lo schema a blocchi di un alimentatore lineare è mostrato nella figura seguente.
Nonostante gli svantaggi di cui sopra, gli alimentatori lineari sono ampiamente utilizzati in amplificatori a basso rumore, apparecchiature di prova, circuiti di controllo. Inoltre, vengono utilizzati anche nell'acquisizione dei dati e nell'elaborazione del segnale.
Tutti i sistemi di alimentazione che necessitano di una regolazione semplice e dove l'efficienza non è un problema, vengono utilizzati i circuiti LPS. Poiché il rumore elettrico è inferiore, l'LPS viene utilizzato per alimentare circuiti analogici sensibili. Ma per superare gli svantaggi del sistema di alimentazione lineare, viene utilizzato l'alimentatore switching (SMPS).
Alimentatore switching (SMPS)
Gli svantaggi di LPS come una minore efficienza, la necessità di condensatori di grande valore per ridurre le ondulazioni e trasformatori pesanti e costosi ecc. Sono superati dall'implementazione di Switched Mode Power Supplies.
Il funzionamento di SMPS si comprende semplicemente sapendo che il transistor utilizzato in LPS viene utilizzato per controllare la caduta di tensione mentre il transistor in SMPS viene utilizzato come controlled switch.
Lavorando
Il funzionamento di SMPS può essere compreso dalla figura seguente.
Cerchiamo di capire cosa succede in ogni fase del circuito SMPS.
Fase di input
Il segnale di alimentazione in ingresso AC 50 Hz viene fornito direttamente alla combinazione del circuito del raddrizzatore e del filtro senza utilizzare alcun trasformatore. Questa uscita avrà molte variazioni e il valore di capacità del condensatore dovrebbe essere più alto per gestire le fluttuazioni di ingresso. Questa corrente continua non regolamentata viene fornita alla sezione di commutazione centrale di SMPS.
Sezione di commutazione
In questa sezione viene impiegato un dispositivo di commutazione rapida come un transistor di potenza o un MOSFET, che si accende e si spegne a seconda delle variazioni e questa uscita è assegnata al primario del trasformatore presente in questa sezione. I trasformatori utilizzati qui sono molto più piccoli e leggeri a differenza di quelli utilizzati per l'alimentazione a 60 Hz. Questi sono molto efficienti e quindi il rapporto di conversione della potenza è più alto.
Fase di uscita
Il segnale di uscita dalla sezione di commutazione viene nuovamente raddrizzato e filtrato, per ottenere la tensione CC richiesta. Questa è una tensione di uscita regolata che viene quindi fornita al circuito di controllo, che è un circuito di feedback. L'uscita finale si ottiene dopo aver considerato il segnale di feedback.
Unità di controllo
Questa unità è il circuito di feedback che ha molte sezioni. Cerchiamo di avere una chiara comprensione di questo dalla figura seguente.
La figura sopra spiega le parti interne di un'unità di controllo. Il sensore di uscita rileva il segnale e lo unisce alla centralina. Il segnale è isolato dall'altra sezione in modo che eventuali picchi improvvisi non dovrebbero influenzare il circuito. Una tensione di riferimento viene fornita come un ingresso insieme al segnale all'amplificatore di errore che è un comparatore che confronta il segnale con il livello di segnale richiesto.
Controllando la frequenza di taglio viene mantenuto il livello di tensione finale. Questo viene controllato confrontando gli ingressi dati all'amplificatore di errore, la cui uscita aiuta a decidere se aumentare o diminuire la frequenza di taglio. L'oscillatore PWM produce una frequenza fissa PWM standard.
Possiamo avere un'idea migliore sul funzionamento completo di SMPS guardando la figura seguente.
L'SMPS viene utilizzato principalmente dove la commutazione delle tensioni non è affatto un problema e dove l'efficienza del sistema è davvero importante. Ci sono pochi punti che devono essere notati riguardo a SMPS. Loro sono
Il circuito SMPS viene azionato tramite commutazione e quindi le tensioni variano continuamente.
Il dispositivo di commutazione funziona in modalità saturazione o taglio.
La tensione di uscita è controllata dal tempo di commutazione del circuito di feedback.
Il tempo di commutazione viene regolato regolando il ciclo di lavoro.
L'efficienza di SMPS è elevata perché, invece di dissipare la potenza in eccesso sotto forma di calore, cambia continuamente il suo ingresso per controllare l'uscita.
Svantaggi
Ci sono pochi svantaggi in SMPS, come
- Il rumore è presente a causa della commutazione ad alta frequenza.
- Il circuito è complesso.
- Produce interferenze elettromagnetiche.
Vantaggi
I vantaggi di SMPS includono,
- L'efficienza va dall'80 al 90%
- Meno generazione di calore; meno spreco di energia.
- Feedback armonico ridotto nella rete di alimentazione.
- Il dispositivo è compatto e di piccole dimensioni.
- Il costo di produzione è ridotto.
- Predisposizione per fornire il numero di tensioni richiesto.
Applicazioni
Esistono molte applicazioni di SMPS. Sono utilizzati nella scheda madre di computer, caricabatterie per telefoni cellulari, misurazioni HVDC, caricabatterie, distribuzione centrale di alimentazione, veicoli a motore, elettronica di consumo, laptop, sistemi di sicurezza, stazioni spaziali, ecc.
Tipi di SMPS
SMPS è il circuito di alimentazione in modalità commutata progettato per ottenere la tensione di uscita CC regolata da una tensione CC o CA non regolata. Esistono quattro tipi principali di SMPS come
- Convertitore da DC a DC
- Convertitore da CA a CC
- Convertitore fly back
- Convertitore in avanti
La parte di conversione da CA a CC nella sezione di ingresso fa la differenza tra il convertitore da CA a CC e il convertitore da CC a CC. Il convertitore Fly back viene utilizzato per applicazioni a bassa potenza. Inoltre ci sono convertitore buck e convertitore boost nei tipi SMPS che riducono o aumentano la tensione di uscita a seconda dei requisiti. L'altro tipo di SMPS include convertitore fly-back auto-oscillante, convertitore buck-boost, Cuk, Sepic, ecc.