Stromversorgungskreise

Es gibt drei Hauptarten von Netzteilen:ungeregelt (auch rohe Gewalt genannt ), linear geregelt , und wechseln . Die vierte Art von Stromversorgungsschaltung namens welligkeitsgeregelt , ist eine Mischung aus „Brute Force“- und „Switching“-Design und verdient einen eigenen Unterabschnitt.

Unreguliert

Ein ungeregeltes Netzteil ist die rudimentärste Art, bestehend aus einem Transformator , Gleichrichter , und Tiefpassfilter . Diese Netzteile weisen typischerweise eine große Welligkeitsspannung (d. h. eine sich schnell ändernde Instabilität) und andere AC-„Rauschen“ auf, die der DC-Leistung überlagert sind. Wenn die Eingangsspannung variiert, ändert sich die Ausgangsspannung um einen proportionalen Betrag. Der Vorteil einer ungeregelten Versorgung besteht darin, dass sie billig, einfach und effizient ist.

Linear reguliert

Eine linear geregelte Stromversorgung ist einfach eine "Brute-Force"-(ungeregelte) Stromversorgung, gefolgt von einer Transistorschaltung, die in ihrem "aktiven" oder "linearen" Modus arbeitet, daher der Name linear Regler. (Rückblickend offensichtlich, nicht wahr?) Ein typischer Linearregler ist darauf ausgelegt, eine feste Spannung für einen weiten Eingangsspannungsbereich auszugeben, und senkt einfach jede überschüssige Eingangsspannung ab, um eine maximale Ausgangsspannung an die Last zu ermöglichen. Dieser übermäßige Spannungsabfall führt zu einer erheblichen Verlustleistung in Form von Wärme. Wenn die Eingangsspannung zu niedrig wird, verliert die Transistorschaltung die Regelung, was bedeutet, dass sie die Spannung nicht konstant halten kann. Es kann nur eine Überspannung absenken, aber keinen Spannungsmangel aus dem Brute-Force-Teil der Schaltung ausgleichen. Daher müssen Sie die Eingangsspannung je nach Reglertyp mindestens 1 bis 3 Volt höher als die gewünschte Ausgangsspannung halten. Dies bedeutet das Leistungsäquivalent von mindestens 1 bis 3 Volt multipliziert mit dem Volllaststrom werden von der Reglerschaltung abgeleitet, wodurch viel Wärme entsteht. Dies macht linear geregelte Netzteile eher ineffizient. Um all die Hitze loszuwerden, müssen sie außerdem große Kühlkörper verwenden, die sie groß, schwer und teuer machen.

Wechsel

Ein schaltgeregeltes Netzteil („Switcher“) ist ein Versuch, die Vorteile sowohl von Brute-Force- als auch von linear geregelten Designs (klein, effizient und billig, aber auch „saubere“, stabile Ausgangsspannung) zu nutzen. Schaltnetzteile arbeiten nach dem Prinzip der Gleichrichtung der ankommenden Wechselstromspannung in Gleichstrom, der Rückwandlung in hochfrequenten Rechteckwellen-Wechselstrom durch Transistoren, die als Ein-/Aus-Schalter betrieben werden, und stufen diese Wechselspannung mithilfe eines Leichtgewichts nach oben oder unten Transformator, dann Gleichrichtung des Wechselstromausgangs des Transformators in Gleichstrom und Filterung für den endgültigen Ausgang. Die Spannungsregelung wird erreicht, indem das „Duty Cycle“ der DC-AC-Inversion auf der Primärseite des Transformators geändert wird. Neben dem geringeren Gewicht aufgrund eines kleineren Transformatorkerns haben Umschalter einen weiteren enormen Vorteil gegenüber den beiden vorherigen Designs:diese Art der Stromversorgung kann so völlig unabhängig von der Eingangsspannung gemacht werden, dass es an jedem Stromnetz der Welt arbeiten kann; diese werden als „universelle“ Netzteile bezeichnet. Der Nachteil von Umschaltern ist, dass sie komplexer sind und aufgrund ihres Betriebs dazu neigen, viel hochfrequentes Wechselstrom-„Rauschen“ auf der Stromleitung zu erzeugen. Die meisten Umschalter haben auch eine erhebliche Welligkeitsspannung an ihren Ausgängen. Bei den billigeren Typen können dieses Rauschen und diese Welligkeit genauso schlimm sein wie bei einer ungeregelten Stromversorgung; solche Low-End-Umschalter sind nicht wertlos, weil sie immer noch eine stabile durchschnittliche Ausgangsspannung liefern und es die „universelle“ Eingangsfähigkeit gibt. Teure Umschalter sind wellenfrei und haben ein fast so niedriges Rauschen wie einige lineare Schalter; diese Umschalter sind in der Regel so teuer wie lineare Versorgungen. Der Grund, einen teuren Umschalter anstelle eines guten Linearmischers zu verwenden, ist, wenn Sie eine universelle Stromversorgungssystemkompatibilität oder einen hohen Wirkungsgrad benötigen. Hohe Effizienz, geringes Gewicht und geringe Größe sind die Gründe, warum Schaltnetzteile fast universell zur Stromversorgung digitaler Computerschaltkreise verwendet werden.

Welligkeit reguliert

Ein welligkeitsgeregeltes Netzteil ist eine Alternative zum linear geregelten Entwurfsschema:Ein „Brute-Force“-Netzteil (Transformator, Gleichrichter, Filter) bildet das „Front-End“ der Schaltung, aber ein Transistor arbeitet streng im Ein/Aus-Modus (Sättigung/Abschalt-) Modi überträgt Gleichstrom an einen großen Kondensator nach Bedarf, um die Ausgangsspannung zwischen einem hohen und einem niedrigen Sollwert zu halten. Wie bei Schaltern lässt der Transistor in einem Welligkeitsregler im „aktiven“ oder „linearen“ Modus für längere Zeit keinen Strom durch, was bedeutet, dass nur sehr wenig Energie in Form von Wärme verschwendet wird. Der größte Nachteil dieses Regelungsschemas ist jedoch das notwendige Vorhandensein einer gewissen Welligkeitsspannung am Ausgang, da die Gleichspannung zwischen den beiden Spannungssteuerungs-Sollwerten variiert. Außerdem variiert die Frequenz dieser Welligkeitsspannung in Abhängigkeit vom Laststrom, was die abschließende Filterung des Gleichstroms erschwert. Ripple-Regler-Schaltungen sind in der Regel etwas einfacher als Switcher-Schaltungen, und sie müssen die hohen Netzspannungen, die Switcher-Transistoren verarbeiten müssen, nicht verarbeiten, was das Arbeiten mit ihnen sicherer macht.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für geregelte Stromquellen