Zasilacz transformatorowy czy impulsowy? Który zasilacz DC wybrać?
Zasilacz transformatorowy czy impulsowy? Oba mają swoje mocne i słabe strony. W każdej z tych topologii zastosowano pewne metody, aby złagodzić ich słabości. Jednak nawet najlepszy zasilacz nie powinien być wykorzystywany do zasilania każdego urządzenia. Ważne jest, aby wybrać zasilacz o nieco większej mocy niż potrzebuje urządzenie, bez uzyskiwania zbyt dużej mocy. Zasilacz o odpowiedniej mocy wyjściowej będzie charakteryzował się niższym poziomem szumów i lepszą ochroną urządzenia niezależnie od topologii.
1. Transformator skaluje napięcie sieciowe prądu przemiennego do wartości zgodnej z wymaganym maksymalnym poziomem napięcia wyjściowego prądu stałego.
2. Napięcie prądu przemiennego jest następnie prostowane w napięcie prądu stałego.
3. Duże kondensatory elektrolityczne filtrują większość tętnienia napięcia AC
4. Tranzystory mocy szeregowe kontrolują różnicę między nieuregulowanym napięciem szyny DC a regulowanym napięciem wyjściowym DC. W celu prawidłowej regulacji zawsze musi istnieć pewne napięcie na tranzystorach szeregowych.
5. Wzmacniacz błędu porównuje napięcie wyjściowe z napięciem odniesienia, aby regulować moc wyjściową przy żądanym ustawieniu.
6. Wreszcie kondensator filtra wyjściowego dodatkowo redukuje szum wyjściowy AC i tętnienia oraz obniża impedancję wyjściową, co zapewnia lepszą charakterystykę źródła napięcia.
Rysunek 1 Schemat zasilacza transformatorowego
Zasilacze liniowe mają następujące zalety:
• Niski poziom tętnienia i szumu
• Szybka reakcja przejściowa
• Dla mocy mniejszych niż 400 W stosunkowo tanie
Nieodłączne wady:
• Niska wydajność energetyczna
• Względnie ciężki i duży
• Powyżej 400 W, wysoki koszt materiału, brak wydajności generuje nadmierne ciepło i wysokie koszty operacyjne
Najlepszym zastosowaniem dla zasilaczy liniowych są aplikacje gdzie wymagany jest niski poziom szumów i niższa moc wyjściowa oraz gdy rozmiar nie stanowi problemu. Keysight wykorzystuje regulację wstępną, aby przezwyciężyć nieefektywności i ciepło wytwarzane przez zasilanie liniowe. Wstępna regulacja dostosowuje moc przyłożoną do transformatora. W przypadku mniejszych obciążeń transformator otrzyma mniej energii. Większość naszych zasilaczy stołowych o mocy poniżej 200 W jest liniowa. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń mobilnych i innych urządzeń o niższej mocy, ponownie wprowadziliśmy zasilacze liniowe o bardzo niskiej mocy, 30 W na wyjście.
Przykładowe modele zasilaczy transformatorowych:
E36300 160 W i 3 wyjścia
E36200 400 W i 2 wyjścia
Podstawowy tradycyjny zasilacz impulsowy przedstawiony na rysunku 2 jest nieco bardziej złożony w porównaniu do zasilacza liniowego:
1. Napięcie sieciowe prądu przemiennego jest prostowane, a następnie filtrowane, aby zapewnić nieuregulowaną szynę prądu stałego wysokiego napięcia do zasilania obwodu falownika prądu stałego.
2. Tranzystory mocy przełączane w zakresie od 10 do 100 kHz narzucają przebieg prądu przemiennego o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości na pierwotny transformator (wejście).
3. Napięcie impulsu prądu przemiennego jest skalowane przez stosunek liczby zwojów transformatora do wartości zgodnej z wymaganym napięciem wyjściowym prądu stałego.
4. To wtórne (wyjściowe) napięcie prądu przemiennego transformatora jest prostowane w pulsacyjne napięcie prądu stałego.
5. Filtr wyjściowy LC (induktor-kondensator) uśrednia napięcie pulsacyjne do ciągłego napięcia stałego na wyjściu zasilacza.
6. Podobnie jak w przypadku zasilacza liniowego, wzmacniacz błędu porównuje napięcie wyjściowe prądu stałego z wartością odniesienia w celu regulacji mocy wyjściowej przy żądanym ustawieniu.
7. Obwód modulatora przekształca sygnał wzmacniacza błędu w kształt fali o wysokiej częstotliwości i modulowanej szerokości impulsu, aby sterować tranzystorami mocy przełączania.
Rysunek 2 Schemat zasilacza impulsowego
Zasilacze impulsowe oferują następujące korzyści:
• Mniejszy rozmiar i nie wymaga dodatkowej wysokości
• Wysoka wydajność przy wszystkich napięciach wyjściowych
• Tańszy przy wyższych mocach
• Może być stosowany do generowania wysokiej mocy wyjściowej
Standardowe wady:
• Wolniejsza reakcja
• Wyższe tętnienia i szumy wyjściowe
• Zawartość widma wysokiej częstotliwości
• Szumy common mode
Największą zaletą zasilaczy impulsowych jest wysoka gęstość mocy. W systemie testowym przestrzeń szafy, jest niezwykle cenna, a zasilacze o wysokiej gęstości są niezbędne. Wysokowydajny zasilacz impulsowy wykorzystuje bardziej złożoną topologię w celu zmniejszenia szumu i skrócenia przejściowego czasu reakcji. Dodatkowe cyfrowe filtrowanie zmniejsza tętnienia i szumy. Wreszcie solidna konstrukcja mechaniczna zmniejsza emisję szumu o wysokiej częstotliwości.
Przykładowe modele zasilaczy impulsowych:
N8700 i N5700 do 5 kW
N8900 zasilacze DC do 15 kW
N6705C zaawansowane zasilacze i źródła mierzące
Wnioski
Zazwyczaj sprowadza się to do kosztu, rozmiaru i mocy. Do testowania urządzenia o niskiej mocy na stole dobrym wyborem jest zasilacz liniowy. Transformator liniowy wymaga zazwyczaj więcej wysokości, ale jest węższy. Na przykład zasilacz liniowy E3634A o mocy 200 W ma wymiary 13,3 cm wys. X 21,3 cm szer. X 34 cm głębokości (półka X 2 U). Rozmiar fizyczny jest niezbędny zarówno na stole, jak i w systemie testowym. Na ławce bardziej pożądana jest wyższa konstrukcja z dużym wyświetlaczem. Większość inżynierów testowych preferuje konstrukcję o pełnej szerokości 1 U, która jest łatwiejsza do osiągnięcia dzięki topologii przełączania. Seria N6700 jest doskonałym przykładem bardzo efektywnego wykorzystania 1 U miejsca w szafie. W przypadku aplikacji o wyższej mocy topologia przełączania zapewni kompaktową konstrukcję w rozsądnej cenie. N5700 może wytwarzać 1500 W z konstrukcji o wysokości 1 U. W większości przypadków topologia nie jest tak ważna, jak wybranie zasilacza zaprojektowanego do tego, gdzie będziesz go używać wraz z prawidłową mocą wyjściową urządzenia.
Zasilacze transformatorowe:
Liniowy zasilacz prądu stałego, jak pokazano na rysunku 1, jest stosunkowo prosty w koncepcji i podstawowej realizacji:1. Transformator skaluje napięcie sieciowe prądu przemiennego do wartości zgodnej z wymaganym maksymalnym poziomem napięcia wyjściowego prądu stałego.
2. Napięcie prądu przemiennego jest następnie prostowane w napięcie prądu stałego.
3. Duże kondensatory elektrolityczne filtrują większość tętnienia napięcia AC
4. Tranzystory mocy szeregowe kontrolują różnicę między nieuregulowanym napięciem szyny DC a regulowanym napięciem wyjściowym DC. W celu prawidłowej regulacji zawsze musi istnieć pewne napięcie na tranzystorach szeregowych.
5. Wzmacniacz błędu porównuje napięcie wyjściowe z napięciem odniesienia, aby regulować moc wyjściową przy żądanym ustawieniu.
6. Wreszcie kondensator filtra wyjściowego dodatkowo redukuje szum wyjściowy AC i tętnienia oraz obniża impedancję wyjściową, co zapewnia lepszą charakterystykę źródła napięcia.
Rysunek 1 Schemat zasilacza transformatorowego
Zasilacze liniowe mają następujące zalety:
• Niski poziom tętnienia i szumu
• Szybka reakcja przejściowa
• Dla mocy mniejszych niż 400 W stosunkowo tanie
Nieodłączne wady:
• Niska wydajność energetyczna
• Względnie ciężki i duży
• Powyżej 400 W, wysoki koszt materiału, brak wydajności generuje nadmierne ciepło i wysokie koszty operacyjne
Najlepszym zastosowaniem dla zasilaczy liniowych są aplikacje gdzie wymagany jest niski poziom szumów i niższa moc wyjściowa oraz gdy rozmiar nie stanowi problemu. Keysight wykorzystuje regulację wstępną, aby przezwyciężyć nieefektywności i ciepło wytwarzane przez zasilanie liniowe. Wstępna regulacja dostosowuje moc przyłożoną do transformatora. W przypadku mniejszych obciążeń transformator otrzyma mniej energii. Większość naszych zasilaczy stołowych o mocy poniżej 200 W jest liniowa. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń mobilnych i innych urządzeń o niższej mocy, ponownie wprowadziliśmy zasilacze liniowe o bardzo niskiej mocy, 30 W na wyjście.
Przykładowe modele zasilaczy transformatorowych:
E36300 160 W i 3 wyjścia
E36200 400 W i 2 wyjścia
Zasilacze impulsowe
Tradycyjna topologia zasilacza impulsowego prądu stałegoPodstawowy tradycyjny zasilacz impulsowy przedstawiony na rysunku 2 jest nieco bardziej złożony w porównaniu do zasilacza liniowego:
1. Napięcie sieciowe prądu przemiennego jest prostowane, a następnie filtrowane, aby zapewnić nieuregulowaną szynę prądu stałego wysokiego napięcia do zasilania obwodu falownika prądu stałego.
2. Tranzystory mocy przełączane w zakresie od 10 do 100 kHz narzucają przebieg prądu przemiennego o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości na pierwotny transformator (wejście).
3. Napięcie impulsu prądu przemiennego jest skalowane przez stosunek liczby zwojów transformatora do wartości zgodnej z wymaganym napięciem wyjściowym prądu stałego.
4. To wtórne (wyjściowe) napięcie prądu przemiennego transformatora jest prostowane w pulsacyjne napięcie prądu stałego.
5. Filtr wyjściowy LC (induktor-kondensator) uśrednia napięcie pulsacyjne do ciągłego napięcia stałego na wyjściu zasilacza.
6. Podobnie jak w przypadku zasilacza liniowego, wzmacniacz błędu porównuje napięcie wyjściowe prądu stałego z wartością odniesienia w celu regulacji mocy wyjściowej przy żądanym ustawieniu.
7. Obwód modulatora przekształca sygnał wzmacniacza błędu w kształt fali o wysokiej częstotliwości i modulowanej szerokości impulsu, aby sterować tranzystorami mocy przełączania.
Rysunek 2 Schemat zasilacza impulsowego
Zasilacze impulsowe oferują następujące korzyści:
• Mniejszy rozmiar i nie wymaga dodatkowej wysokości
• Wysoka wydajność przy wszystkich napięciach wyjściowych
• Tańszy przy wyższych mocach
• Może być stosowany do generowania wysokiej mocy wyjściowej
Standardowe wady:
• Wolniejsza reakcja
• Wyższe tętnienia i szumy wyjściowe
• Zawartość widma wysokiej częstotliwości
• Szumy common mode
Największą zaletą zasilaczy impulsowych jest wysoka gęstość mocy. W systemie testowym przestrzeń szafy, jest niezwykle cenna, a zasilacze o wysokiej gęstości są niezbędne. Wysokowydajny zasilacz impulsowy wykorzystuje bardziej złożoną topologię w celu zmniejszenia szumu i skrócenia przejściowego czasu reakcji. Dodatkowe cyfrowe filtrowanie zmniejsza tętnienia i szumy. Wreszcie solidna konstrukcja mechaniczna zmniejsza emisję szumu o wysokiej częstotliwości.
Przykładowe modele zasilaczy impulsowych:
N8700 i N5700 do 5 kW
N8900 zasilacze DC do 15 kW
N6705C zaawansowane zasilacze i źródła mierzące
Wnioski
Zazwyczaj sprowadza się to do kosztu, rozmiaru i mocy. Do testowania urządzenia o niskiej mocy na stole dobrym wyborem jest zasilacz liniowy. Transformator liniowy wymaga zazwyczaj więcej wysokości, ale jest węższy. Na przykład zasilacz liniowy E3634A o mocy 200 W ma wymiary 13,3 cm wys. X 21,3 cm szer. X 34 cm głębokości (półka X 2 U). Rozmiar fizyczny jest niezbędny zarówno na stole, jak i w systemie testowym. Na ławce bardziej pożądana jest wyższa konstrukcja z dużym wyświetlaczem. Większość inżynierów testowych preferuje konstrukcję o pełnej szerokości 1 U, która jest łatwiejsza do osiągnięcia dzięki topologii przełączania. Seria N6700 jest doskonałym przykładem bardzo efektywnego wykorzystania 1 U miejsca w szafie. W przypadku aplikacji o wyższej mocy topologia przełączania zapewni kompaktową konstrukcję w rozsądnej cenie. N5700 może wytwarzać 1500 W z konstrukcji o wysokości 1 U. W większości przypadków topologia nie jest tak ważna, jak wybranie zasilacza zaprojektowanego do tego, gdzie będziesz go używać wraz z prawidłową mocą wyjściową urządzenia.
| Zasilacz 50 W / 50 V | Czas osiągnięcia 0,15% wartości zadanej | Tętnienie i szum (20 Hz- 20 MHz) | Szum common mode (20 Hz- 20 MHz) |
| Liniowy | 50 us | 8 mVpp | 1,5 uArms |
| Impulsowy | 100 – 200 us | 4,5 – 25 mVpp | 500 – 1000 uArms |
