Das Schaltnetzteil wird verwendet, um die Eingangsspannung auf den Wert umzuwandeln, der von den internen Elementen des Geräts benötigt wird. Ein anderer weit verbreiteter Name für gepulste Quellen ist Inverter.
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Was ist das?
Der Wechselrichter ist eine sekundäre Stromquelle, die eine doppelte Umwandlung der AC-Eingangsspannung verwendet. Der Wert der Ausgangsparameter wird durch Ändern der Dauer (Breite) der Impulse und in einigen Fällen der Frequenz ihrer Wiederholung reguliert. Diese Art der Modulation wird als Pulsweitenmodulation bezeichnet.
Das Funktionsprinzip eines Schaltnetzteils
Der Betrieb des Wechselrichters basiert auf der Gleichrichtung der Primärspannung und ihrer weiteren Umwandlung in eine Folge von Hochfrequenzimpulsen. Darin unterscheidet er sich von einem herkömmlichen Transformator.Die Ausgangsspannung des Blocks wird verwendet, um ein negatives Rückkopplungssignal zu bilden, mit dem Sie die Parameter der Impulse anpassen können. Durch die Steuerung der Breite der Impulse ist es einfach, die Stabilisierung und Anpassung von Ausgangsparametern, Spannung oder Strom, zu organisieren. Das heißt, es kann sowohl ein Spannungsstabilisator als auch ein Stromstabilisator sein.
Die Anzahl und Polarität der Ausgangswerte kann je nach Funktionsweise des Schaltnetzteils sehr unterschiedlich sein.
Sorten von Netzteilen
Es wurden mehrere Arten von Wechselrichtern verwendet, die sich in ihrem Konstruktionsschema unterscheiden:
- transformatorlos;
- Transformator.
Die ersten unterscheiden sich dadurch, dass die Impulsfolge direkt zum Ausgangsgleichrichter und zum Glättungsfilter des Geräts geht. Ein solches Schema hat ein Minimum an Komponenten. Ein einfacher Wechselrichter enthält eine spezialisierte integrierte Schaltung - einen Impulsbreitengenerator.
Von den Nachteilen transformatorloser Geräte besteht der Hauptnachteil darin, dass sie keine galvanische Trennung vom Netz haben und ein Stromschlagrisiko darstellen können. Außerdem haben sie normalerweise eine geringe Leistung und geben nur 1 Ausgangsspannung ab.
Üblicher sind Transformatorgeräte, bei denen eine hochfrequente Impulsfolge in die Primärwicklung des Transformators eingespeist wird. Es können beliebig viele Sekundärwicklungen vorhanden sein, wodurch Sie mehrere Ausgangsspannungen erzeugen können. Jede Sekundärwicklung ist mit einem eigenen Gleichrichter und Glättungsfilter belastet.
Ein leistungsstarkes Schaltnetzteil für jeden Computer ist nach einem Schema aufgebaut, das eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweist. Für das Feedback-Signal wird hier eine Spannung von 5 oder 12 Volt verwendet, da diese Werte die genaueste Stabilisierung erfordern.
Der Einsatz von Transformatoren zur Wandlung hochfrequenter Spannung (zig Kilohertz statt 50 Hz) ermöglichte es, deren Abmessungen und Gewicht um ein Vielfaches zu reduzieren und als Kernmaterial nicht Elektroeisen, sondern ferromagnetische Materialien mit hoher Koerzitivkraft zu verwenden ( Magnetkreis).
Gleichspannungswandler werden ebenfalls auf Basis der Pulsweitenmodulation aufgebaut. Ohne den Einsatz von Inverterschaltungen war die Umsetzung mit großen Schwierigkeiten verbunden.
Netzteil-Schema
Die Schaltung der gebräuchlichsten Konfiguration eines Impulsumrichters umfasst:
- Netzwerk-Rauschunterdrückungsfilter;
- Gleichrichter;
- Glättungsfilter;
- Pulsweitenwandler;
- Schlüsseltransistoren;
- Ausgang Hochfrequenz-Transformator;
- Ausgangsgleichrichter;
- Einzel- und Gruppenfilter ausgeben.
Der Funkentstörfilter hat die Aufgabe, Störungen durch den Betrieb des Gerätes ins Netz zu verzögern. Das Schalten von Leistungshalbleiterelementen kann mit der Erzeugung von Kurzzeitimpulsen in einem weiten Frequenzbereich einhergehen. Daher müssen hier speziell dafür ausgelegte Elemente als Durchführungskondensatoren der Filtereinheiten verwendet werden.
Der Gleichrichter wird verwendet, um die Eingangswechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln, und das nächste Glättungsfilter eliminiert die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung.
Im Fall der Verwendung eines DC/DC-Wandlers werden der Gleichrichter und das Filter unnötig, und das Eingangssignal wird, nachdem es die Rauschfilterschaltungen passiert hat, direkt dem Pulsweitenwandler (Modulator), abgekürzt als PWM, zugeführt.
PWM ist der komplexeste Teil der Schaltnetzteilschaltung. Seine Aufgabe umfasst:
- Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen;
- Steuerung der Ausgangsparameter des Blocks und Korrektur der Impulsfolge gemäß dem Rückkopplungssignal;
- Steuerung und Überlastschutz.
Das PWM-Signal wird den Steuerausgängen leistungsfähiger Tasttransistoren zugeführt, die in Brücken- oder Halbbrückenschaltung geschaltet sind. Die Leistungsausgänge der Transistoren werden auf die Primärwicklung des Hochfrequenz-Ausgangstransformators geladen. Anstelle herkömmlicher Bipolartransistoren werden IGBT- oder MOSFET-Transistoren verwendet, die sich durch einen geringen Spannungsabfall an den Übergängen und eine hohe Geschwindigkeit auszeichnen. Verbesserte Transistorparameter helfen, die Verlustleistung bei gleichen Abmessungen und technischen Designparametern zu reduzieren.
Der Ausgangsimpulstransformator verwendet das gleiche Umwandlungsprinzip wie der klassische. Eine Ausnahme ist die Arbeit mit einer höheren Frequenz. Dadurch haben Hochfrequenztransformatoren bei gleicher übertragener Leistung kleinere Abmessungen.
Die Spannung von der Sekundärwicklung des Leistungstransformators (es können mehrere sein) wird den Ausgangsgleichrichtern zugeführt. Im Gegensatz zum Eingangsgleichrichter müssen die Gleichrichterdioden des Sekundärkreises eine erhöhte Arbeitsfrequenz aufweisen.Schottky-Dioden funktionieren in diesem Abschnitt der Schaltung am besten. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen:
- hohe Betriebsfrequenz;
- p-n-Übergang mit reduzierter Kapazität;
- kleiner Spannungsabfall.
Der Ausgangsfilter des Schaltnetzteils hat die Aufgabe, die Welligkeit der gleichgerichteten Ausgangsspannung auf das erforderliche Minimum zu reduzieren. Da die Welligkeitsfrequenz viel höher ist als die der Netzspannung, sind keine großen Kapazitätswerte der Kondensatoren und Induktivitäten der Spulen erforderlich.
Umfang der Schaltnetzteile
Schaltspannungswandler werden in den meisten Fällen anstelle von herkömmlichen Transformatoren mit Halbleiterstabilisatoren verwendet. Bei gleicher Leistung haben die Wechselrichter kleinere Gesamtabmessungen und ein geringeres Gewicht, eine hohe Zuverlässigkeit und vor allem einen höheren Wirkungsgrad und die Fähigkeit, in einem weiten Eingangsspannungsbereich zu arbeiten. Und bei vergleichbaren Abmessungen ist die maximale Wechselrichterleistung um ein Vielfaches höher.
In einem Bereich wie der Gleichspannungsumwandlung haben gepulste Quellen praktisch keinen alternativen Ersatz und können nicht nur arbeiten, um die Spannung zu senken, sondern auch eine erhöhte zu erzeugen, um einen Polaritätswechsel zu organisieren. Die hohe Umwandlungsfrequenz erleichtert die Filterung und Stabilisierung der Ausgangsparameter erheblich.
Kleine Wechselrichter, die auf spezialisierten integrierten Schaltungen basieren, werden als Ladegeräte für alle Arten von Geräten verwendet, und ihre Zuverlässigkeit ist so hoch, dass die Lebensdauer der Ladeeinheit die Betriebszeit eines Mobilgeräts um ein Vielfaches überschreiten kann.
12-Volt-Leistungstreiber zum Einschalten von LED-Lichtquellen sind ebenfalls nach einer gepulsten Schaltung aufgebaut.
So stellen Sie ein Schaltnetzteil mit Ihren eigenen Händen her
Wechselrichter, besonders leistungsstarke, haben eine komplexe Schaltung und stehen nur erfahrenen Funkamateuren zur Wiederholung zur Verfügung. Für den Selbstbau von Netzwerknetzteilen können wir einfache Low-Power-Schaltungen mit spezialisierten PWM-Controller-Chips empfehlen. Solche ICs haben eine geringe Anzahl von Brückenelementen und haben bewährte typische Schaltkreise, die praktisch keinen Abgleich und keine Abstimmung erfordern.
Bei der Arbeit mit selbstgebauten Strukturen oder der Reparatur von Industriegeräten ist zu beachten, dass ein Teil des Stromkreises immer auf dem Potenzial des Netzwerks liegt, daher müssen Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden.
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