Stikalni napajalniki — splošna načela, prednosti in slabosti
Danes je že težko najti železni transformator v katerem koli gospodinjskem aparatu ali napajalniku. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so začeli hitro bledeti v preteklost in se umaknili stikalnim pretvornikom ali stikalnim napajalnikom (skrajšano SMPS).
Stikalni napajalniki prekašajo transformatorje po velikosti, kakovosti nastale enosmerne napetosti, imajo široke možnosti regulacije izhodne napetosti in toka ter so tradicionalno opremljeni z zaščito pred preobremenitvijo izhoda. In čeprav se domneva, da so stikalni napajalniki glavni ponudniki motenj v gospodinjskem omrežju, njihove razširjene uporabe ni mogoče obrniti.
Napajanje transformatorja:
Preklopni tok:
Stikalni napajalniki dolgujejo svojo vseprisotnost polprevodniškim stikalom - tranzistorji z učinkom polja in Dioda Schottky… Prav poljski tranzistor, ki deluje skupaj z dušilko ali transformatorjem, je srce vsakega sodobnega stikalnega napajalnika: v inverterjih, varilnih aparatih, brezprekinitvenih napajalnikih, vgrajenih napajalnikih za televizorje, monitorje itd. — dandanes se skoraj povsod uporabljajo samo vezja za pretvorbo impulzov.
Splošno načelo delovanja impulznega pretvornika temelji na zakonu elektromagnetne indukcije in je podobno z vsakim transformatorjem… Edina razlika je v tem, da se izmenična napetost z omrežno frekvenco 50 Hz dovaja neposredno na primarno navitje običajnega omrežnega transformatorja in se neposredno pretvori (nato po potrebi popravi), v stikalnem napajalniku pa omrežna napetost se najprej popravi in pretvori v enosmerni tok, nato pa pretvori v impulz, ki se dodatno poveča ali zmanjša z uporabo posebnega visokofrekvenčnega (v primerjavi s 50-herčnim omrežjem) vezja.
Preklopno napajalno vezje vključuje več glavnih komponent: omrežni usmernik, stikalo (ali stikala), transformator (ali dušilka), izhodni usmernik, krmilno enoto ter stabilizacijsko in zaščitno enoto. Usmernik, stikalo in transformator (dušilka) tvorijo osnovo močnostnega dela vezja SMPS, medtem ko elektronski bloki (vključno s krmilnikom PWM) pripadajo ti gonilniku.
Torej se omrežna napetost preko usmernika napaja na kondenzator omrežnega filtra, kjer se na ta način pridobi konstantna napetost, katere maksimum je od 305 do 340 voltov, odvisno od trenutne povprečne vrednosti omrežne napetosti ( od 215 do 240 voltov).
Usmerjena napetost se dovaja na primarno navitje transformatorja (dušilka) v obliki impulzov, katerih frekvenca ponavljanja je običajno določena s krmilnim krogom ključa, trajanje pa je določeno s povprečnim tokom dobavljene obremenitve. .
Stikalo s frekvenco od nekaj deset do nekaj sto kilohercev povezuje in odklaplja primarno navitje transformatorja ali dušilke s filtrirnim kondenzatorjem in s tem obrne magnetizacijo jedra transformatorja ali dušilke.
Razlika med transformatorjem in dušilko: pri dušilki sta fazi shranjevanja energije od izvora do jedra in prenosa energije od jedra skozi navitje do bremena časovno ločeni, pri transformatorju pa se to dogaja sočasno.
Dušilka se uporablja v pretvornikih brez galvanske izolacije topologij: boost - boost, step - down, pa tudi v pretvornikih z galvansko izolacijo povratne topologije. Transformator se uporablja v pretvornikih z galvansko ločitvijo naslednjih topologij: most-poln-most, pol-most-pol-most, potisni-povleci-potisni-povleci, naprej-naprej.
Stikalo je lahko enojno (buck-up pretvornik, forward converter, boost ali buck pretvornik brez galvanske ločitve) ali pa močnostni del vključuje več stikal (polmostni, mostni, potisni).
Krmilno vezje stikala(-ov) prejme iz izhoda vira povratni signal za napetost ali za napetost in tok bremena, v skladu z vrednostjo tega signala, širino (delovni cikel) impulza, ki nadzoruje trajanje prevodnega stanja stikala se samodejno prilagaja.
Izhod je urejen na naslednji način. Iz sekundarnega navitja transformatorja ali induktorja ali iz enojnega navitja induktorja (če govorimo o pretvorniku brez galvanske izolacije), skozi Schottkyjeve diode polnega valovnega usmernika, se impulzna napetost napaja v filter kondenzator.
Obstaja tudi delilnik napetosti, iz katerega se sprejema napetostni povratni signal, lahko pa je prisoten tudi tokovni senzor. Obremenitev je povezana s filtrskim kondenzatorjem prek dodatnega izhodnega nizkopasovnega filtra ali neposredno.