Surse de alimentare în comutație: generalități

Surse de alimentare in comutatie generalitati - HobbytronicaBine te-am găsit !

Pe când eram tânăr şi neliniştit am văzut undeva cum că puterea electrică pe care o poate manipula un transformator este proporţională cu frecvenţa tensiunii aplicată pe bobina primară a acestuia. Imediat mi-am zis: “he he, asta înseamnă că de la un transformator obişnuit de 10W pot obţine 100 sau chiar 1000W doar crescând frecvenţa curentului pe care îl bag în el ? Waw, ce deştept sunt ! Cum de nu s-au gândit şi alţii la ideea asta :)”. Bineînţeles, după ce am încercat să pun în aplicare această idee mi-am dat seama că nu sunt chiar aşa de deştept. Mi-am dat seama că ideea era şi este bună însă în practică odată cu creşterea frecvenţei tensiunii de alimentare intervin nişte pierderi semnificative de energie. Proaspăt reîntors cu picioarele pe pământ, m-am apucat să citesc mai multe despre acest subiect şi aşa am aflat care sunt principalele cauze ale acestor pierderi şi bineînţeles mijloacele prin care acestea pot fi reduse la valori acceptabile.

Astăzi vreau să-ţi vorbesc despre modul general în care funcţionează o sursă de alimentare în comutaţie şi despre principalele probleme care îi afectează performanţele. Ştiind şi înţelegând aceste probleme îţi va fi mai uşor să înţelegi soluţiile adoptate pentru rezolvarea lor, soluţii despre care voi vorbi într-un articol viitor.

Cuprinsul de astăzi este ceva mai vast ca de obicei:

  • Principiul general de funcţionare
  • Structura unei surse în comutaţie
    • Filtrul EMI
    • Blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de intrare
    • Oscilatorul
    • Circuitul de comutaţie
    • Transformatorul
    • Blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de ieşire
    • Amplificatorul de eroare
  • Surse de pierderi şi moduri de reducere a acestora
    • Pierderi în circuitul de comutaţie
    • Pierderi în miezul magnetic
    • Pierderi prin câmpul de scăpări
    • Pierderi prin efectul pelicular
    • Pierderi prin fenomenul “ringing”
    • Pierderi în redresor
    • Pierderi în condensatorii de filtrare a tensiunii de ieşire
  • Concluzii

Bun ! Hai să o luăm cu începutul !

Principiul general de funcţionare

La fel ca şi în cazul unei surse de alimentare clasice (liniare) elementul central al unei surse de alimentare în comutaţie este transformatorul. Cu ajutorul acestuia putem multiplica sau reduce tensiunile aplicate la intrare (în bobină primară) astfel încât la ieşire (bobina secundară) să obţinem tensiunile de care avem nevoie.

Aşa cum începusem să spun în introducere, cu cât frecvenţa tensiunii aplicată unui transformator este mai mare cu atât acel transformator va putea prelucra o putere electrică mai mare. Şi bineînţeles că ne-am dori ca de la un transformator cât mai mic să obţinem o putere cât mai mare. Însă de cele mai multe ori sursa de energie de care dispunem ne oferă fie o tensiune continuă (acumulator auto, panou solar etc.) fie o tensiune alternativă de frecvenţa fixă (reţeaua de 220V/50Hz). Asta înseamnă că niciuna din aceste variante nu ne dă libertatea de a alege frecvenţa tensiunii de alimentare şi implicit nu ne lasă să controlăm ce putere putem obţine de la transformatoraşul nostru. Din acest motiv sursele în comutaţie includ circuite care transformă energia electrică primită la intrare în impulsuri a căror frecvenţă poate fi oricât de mare ne dorim, impulsuri care sunt apoi aplicate transformatorului. În final, dacă dorim ca tensiunea de ieşire să fie continuă, nu trebuie decât să adăugăm un circuit clasic de redresare şi filtrare construite cu componente capabile să lucreze la frecvenţe ridicate.

Denumirea de „în comutaţie“ provine de la faptul că tranzistoarele din circuitul care transformă energia de la intrare în impulsuri lucrează în regim “de comutaţie”, adică lucrează ca nişte comutatoare: se pot afla fie în poziţia “închis“ fie în poziţia “deschis“, nefiind însă niciodată doar parţial deschise.

Structura unei surse de alimentare în comutaţie

În figura 1 este reprezentată structura bloc a unei surse de alimentare în comutaţie împreună cu sensul de circulaţie a semnalelor care apar în ea.

Figura 1. Structura generala a unei surse de alimentare in comutatie - Hobbytronica

Figura 1. Structura unei surse de alimentare în comutaţie

Pentru a înţelege mai bine cum stau lucrurile, în continuare îţi voi explica pe scurt rolul fiecărui element/bloc care apare în această structură.

Filtrul EMI

Orice curent electric transformă conductorul prin care trece într-o antenă prin care sunt emise semnale electromagnetice pe care aparatele din jur le pot percepe ca “semnale parazite”. Deranjul provocat de aceste semnale parazite creşte odată cu frecvenţa curentului printr-un conductor, intensitatea acestuia şi lungimea conductorului. Valoarea curentului nu o putem reduce, pentru că aşa nu am mai putea construi surse de alimentare puternice. Frecvenţa curentului nu am vrea să o reducem prea mult pentru că ne-am întoarce de unde am plecat, adică la utilizarea unor transformatoare uriaşe, grele, scumpe şi urâte. Aşa cel mai comod pare a fi scurtarea conductorilor prin care circulă curenţii de înaltă frecvenţă. La prima vedere te-ai putea gândi că asta ar însemna reducerea lungimii traseele de pe PCB-ul sursei de alimentare în comutaţie. Practica arată că acest lucru nu este deloc suficient, pentru că semnalele de înaltă frecvenţă din sursa de alimentare în comutaţie se propagă prin redresor până în cablul de alimentare. În acest mod, “antena” reprezentată de lungimea traseelor de pe PCB-ul sursei tale se cuplează cu cablul de alimentare şi mai departe cu reţeaua electrică din casă/apartament rezultânt o antenă uriaşă care poluează electromagnetic totul în jur.

Sunt sigur că ai întâlnit situaţii în care atunci când porneai calculatorul (care are şi el o sursă de alimentare în comutaţie) aparatul de radio începea să huruie ca un vapor cu tobă spartă :). Acesta este una din cele mai întâlnite şi mai simple consecinţe ale semnalelor parazite emise de o sursă de alimentare în comutaţie. Consecinţele mai grave pot duce chiar până la întreruperea temporară sau chiar totală funcţionării unor aparate sau circuite din apropiere care sunt mai sensibile din acest punct de vedere.

Deci am lămurit (sper eu) că descotorosirea de aceste semnale parazite nu este un moft al unor ingineri sclifosiţi. Şi dacă nu este un moft, cum scăpăm de ele ? Păi, simplu ! Cu ajutorul unui filtru EMI (ElectroMagnetic Interference). Acesta se montează chiar la intrarea sursei de alimentare în comutaţie şi are rolul de a împiedica semnalele parazite să ajungă pe cablul de alimentare şi la toţi ceilalţi conductori cu care acesta intră în contact. Semnalele parazite sunt semnale de înaltă frecvenţa (>5-10 kHz) ceea ce înseamnă că un filtru EMI este practic un filtru trece-jos, care permite doar circulaţia curenţilor care au o frecvenţă suficient de joasă (cum sunt de exemplu curenţii de alimentate – singurii de care suntem interesaţi să fie lăsaţi să treacă prin acest filtru).

Blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de intrare

Acest bloc are grijă să livreze sursei de alimentare în comutaţie o tensiune continuă şi din acest motiv trebuie neapărat folosit atunci când tensiunea de intrare este preluată de la reţeaua de 220V/50Hz (sau orice altă sursă de curent alternativ). În cazul în care folosim o tensiune de alimentare continuă (ca de exemplu un acumulator auto, un panou solar etc.) redresorul este inutil şi deci nu mai are rost să-l includem în schemă. Rolul condensatorului de filtraj (vezi CFI din figura 1) este acela de a menţine tensiunea de alimentare cât se poate de constantă indiferent de cât de mari ar putea fi vârfurile de curent consumate de sursa noastră de alimentare în comutaţie. Din acest motiv, condensatorul de filtraj este recomandat să fie prezent în ambele cazuri: alimentare de la sursă de curent continuu sau de la sursă de curent alternativ.

Oscilatorul

Este blocul care dictează frecvenţa cu care circuitul de comutaţie va injecta impulsuri de energie în primarul transformatorului. Aceste impulsuri poate fi:

  • de frecvenţă şi durată constantă şi atunci vorbim despre surse de alimentare în comutaţie nestabilizate;
  • de frecvenţă constantă dar de durata variabilă (controlată de către amplificatorul de eroare) caz în care vorbim despre surse de alimentare în comutaţie stabilizate;
  • de frecvenţă şi durată variabilă (ambele controlate de către amplificatorul de eroare). Şi în acest caz este vorba tot despre surse de alimentare în comutaţie stabilizate.

Circuitul de comutaţie

Este circuitul care preia energie de la blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de intrare şi o injectează sub formă de impulsuri în transformator, impulsuri a căror frecvenţă şi durată este dictată de către oscilator. Circuitul de comutaţie este compus din tranzistoare speciale de putere (în special de tip MOS-FET) numite tranzistoare de comutaţie sau tranzistoare de comutaţie rapidă. Prin ce sunt aşa de speciale aceste tranzistoare ? Păi pentru că:

  • îşi pot schimba foarte rapid starea de la închis la deschis şi invers (de regulă în timpi mai scurţi de câteva sute de nanosecunde);
  • în timpul saturaţiei (atunci când sunt complet deschise) au la borne (între Colector şi Emitor sau între Drenă şi Sursă) căderi de tensiuni foarte, foarte mici. Acest lucru ar fi echivalentul unui releu electric care are rezistenţa de contact extrem de mică.

Transformatorul

Ca şi structură, transformatorul unei surse de alimentare în comutaţie este identic cu orice alt tip de transformator. Singurul lucru care îl face diferit este calitatea miezului magnetic. Acesta este fabricat din materiale care au pierderi reduse atunci când sunt expuse la câmpuri magnetice de frecvenţă înaltă (>5-10kHz).

Este important de menţionat că în unele configuraţii de surse de alimentare în comutaţie rolul transformatorului poate fi jucat şi de o simplă bobină. În aceste cazuri, se poate spune că tot despre un transformator ar fi vorba, cu menţiunea că rolul primarului şi al secundarului este jucat de aceeaşi bobină – în anumite momente bobina primeşte energie şi deci are rol de bobină primară, iar în alte momente acea bobină cedează energie schimbându-şi rolul în cel de bobină secundară. Mai multe despre aceste configuraţii de surse de alimentare în comutaţie poţi afla de aici.

Blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de ieşire

Are exact aceleaşi componente ca şi blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de intrare,cu deosebirea faptului că:

  • diodele din redresor trebuie să fie capabile să lucreze la frecvenţe ridicate, motiv pentru care trebuie selectate din categoria celor care se numesc diode de comutaţie sau diode de comutaţie rapidă;
  • condensatorii de filtrare trebuie să aibă parametrul ESR (Echivalent Series Resistance) cu valori cât mai reduse. Voi explica puţin mai jos de ce este important să ţii cont de acest parametru.

Amplificatorul de eroare

Aşa cum am menţionat mai sus, unele surse de alimentare în comutaţie (cele mai multe de altfel) sunt proiectate să ofere o tensiune de ieşire stabilizată. Pentru acest lucru ele includ un circuit numit amplificator de eroare, al cărui rol este acela a compara valoarea tensiunii de ieşire cu o tensiune de referinţă (care este furnizată de o sursă de tensiune separată, numită evident sursă de tensiune de referinţă). Rezultatul acestei comparaţii este trimis către oscilator, care, pe baza acestei informaţii va “şti” cum să modifice valoarea puterii electrice trimise la ieşire astfel încât tensiunea de ieşire să rămână cât se poate de constantă.

Surse de pierderi şi moduri de reducere a acestora

Pierderi în circuitul de comutaţie.

Pentru ca pierderile din circuitul de comutaţie să fie inexistente, ar trebui ca tranzistoarele care injectează impulsuri de curent în transformator să se comporte ca nişte întrerupătoare ideale, adică:

  • în poziţia “închis” să prezinte o rezistenţă electrică egală cu 0 Ω, iar în poziţia “deschis” să prezinte o rezistenţă electrică infinit de mare;
  • schimbarea stării de la “închis” la “deschis” şi invers să se facă instantaneu.

Bineînţeles că în practică lucrurile nu sunt perfecte ci doar perfectibile :). Tranzistoarele reale se abat mai mult sau mai puţin de la modelul întrerupătorului ideal prezentat mai sus, însă din fericire nu cu mult. Pentru a reduce pierderile din circuitul de comutaţie putem:

  • să folosim tranzistoare specializate, din categoria celor denumite “de comutaţie”, “de comutaţie rapidă” sau “intended for switching applications”. Practic toate tranzistoarele din aceste categorii pot fi folosite fără probleme până la frecvenţe de 200-300kHz.;
  • să folosim tranzistoare specializate conectate în paralel. La această soluţie se poate apela mai ales atunci când avem de a face cu intensităţi de curent ridicate (mai mari de 10-20 A).

Pierderi în miezul magnetic

Există mai multe fenomene care provoacă pierderi în miezul magnetic. Acestea au un comportament destul de complex iar înţelegerea lor nu ajută prea mult din punct de vedere practic. Dacă totuşi vrei să aprofundezi, dă un click aici. Acum îţi voi spune doar esenţialul: pierderile în miez cresc odată cu frecvenţa impulsurilor injectate în transformator. Este dificil de măsurat/calculate/evaluat pierderile în funcţie de frecvenţă aşa că de obicei producătorii de miezuri magnetice ne fac viaţă mult mai uşoară declarând în diverse datasheet-uri până la frecvenţe poate fi folosit un miez sau altul.

În privinţa pierderilor din miezul magnetic, noi, ca şi constructori de surse de alimentare în comutaţie nu putem decât să avem grijă ca frecvenţa pe care va lucra transformatorul să nu fie mai mare decât cea maximă garantată de producătorul miezului magnetic respectiv.

Pierderi prin câmpul de scăpări

Una din principalele funcţii ale unui miez magnetic este aceea că ajută la captarea celei mai mari părţi din câmpul magnetic creat de o bobină. Am spus “celei mai mari părţi” ceea ce înseamnă că o anumită parte tot se pierde aiurea. Pentru reducerea acestui tip de pierderi bobina primară a transformatorului trebuie să fie complet acoperită de bobina secundară. Astfel, în orice direcţie ar încerca câmpul magnetic să o zbughească, mereu se va lovi de “ţarcul” reprezentat de bobina secundară.

Cu toate acestea, chiar şi ţinând cont de soluţia de mai sus, un mic procent din câmpul generat de bobina primară tot reuşeşte să evadeze în mediul înconjurător. Acest ultim procent nu este deranjant datorită pierderile de energie pe care le produce ci pentru că poate perturba serios buna funcţionare a circuitelor şi aparatelor electronice din jur. Din acest motiv, pentru a ţintui definitiv câmpul magnetic în interiorul transformatorului, mijlocul acesta poate fi îmbrăcat cu o foiţă din metal.

Pierderi prin efectul pelicular

Efectul pelicular se referă la faptul că la frecvenţe suficient de ridicate curentul electric circulă doar la suprafaţa conductorilor (detalii suplimentare poţi găsi aici). Asta înseamnă că într-un conductor prin care trec curenţi de înaltă frecvenţă, pierderile sunt mai mult influenţate de suprafaţa exterioară a firului şi mai puţin de diametrul (grosimea) acestuia.

Sursele de alimentare în comutaţie lucrează de multe ori la frecvenţe la care pierderile prin efectul pelicular nu pot fi neglijate. Din acest motiv spirele bobinelor transformatoarelor care lucrează la cel puţin câteva zeci de kHz nu sunt realizate dintr-un singur fir (mai gros) aşa că la transformatoarele clasice ci din mai multe fire (mai subţiri). În acest mod, chiar dacă suprafaţă echivalentă a secţiunii spirei poate fi aceeaşi, suprafaţa exterioară echivalentă a acesteia creşte foarte mult.

Pierderi prin fenomenul “ringing”

Atunci când loveşti o oală cu o lingură (adică aplici un impuls de energie mecanică) oala va produce oscilaţii mecanice (sunete) de o anumită frecvenţă care este dată de proprietăţile geometrice şi mecanice ale oalei, adică ceea ce în mecanică se numeşte frecvenţa de rezonanţă mecanică. La fel se întâmplă şi atunci când aplici un impuls de energie electrică unui obiect care conduce curentul electric: se vor produce oscilaţii electrice a căror frecvenţă este egală cu frecvenţa de rezonanţă electrică a acelui obiect conductor. Bineînţeles, datorită pierderilor survenite din fel de fel de cauze, amplitudinea acelor oscilaţii se reduce treptat până la 0.

În unul din articolele mai vechi spuneam că absolut orice obiect conductor are o anumită inductanţă şi o anumită capacitate electrică, parametri care atunci când nu ne convin îi numim “inductanţe şi capacităţi parazite” :). De ce am pomenit de aceşti parametri ? Pentru că aceştia sunt cei care stabilesc frecvenţa de rezonanţă electrică a unui obiect conductor.

Ei bine, în literatura de specialitate apariţia de oscilaţii electrice într-un obiect conductor ca urmare a aplicării unui impuls de energie electrică se numeşte ringing.

Să revenim acum la sursele de alimentare în comutaţie. În traseele de cablaj la care sunt conectate bobinele transformatorului apar impulsuri de energie electrică ? Bineînţeles ! Şi încă multe ! Zeci sau chiar sute de mii pe secundă. Asta înseamnă că în aceste trasee apare fenomenul de ringing, care în acest context este deranjant din următoarele motive:

  • produce apariţia unor curenţi inutil de mari în circuit. Iar curenţi mai mari înseamnă automat pierderi mai mari;
  • produce perturbaţii electromagnetice fapt pentru care poate afecta serios funcţionarea circuitelor electrice învecinate.

OK, deci ringing-ul trebuie redus cât mai mult posibil. Cum ? Păi prin:

  • reducerea la minim a traseelor de cablaj imprimat prin care circulă pulsuri de energie electrică (traseele dintre circuitul de comutaţie şi transformator şi cele dintre transformator şi blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de ieşire). Cum ringing-ul se produce pe baza energiei stocate în inductanţele şi capacităţile parazite, reducând valoarea acestora vom reduce automat şi energia (amplitudinea) oscilaţiilor provocare de acest fenomen.
  • folosirea unor circuite speciale numite “snubber”. Acestea sunt nişte circuite care au rolul de a “înghiţi” suficient de mult din energia oscilaţiilor provocate de fenomenul ringing.

Pierderi în redresor

Indiferent de cât de bune/scumpe/performante ar fi diodele, tensiunea de la bornele lor nu va scade niciodată sub valoarea tensiunii de deschidere (tipic circa 0,65 V). O cădere de tensiune în jur de 0,65V nu pare mult atunci când tensiunea de la ieşirea sursei în comutaţie este mare, adică de cel puţin câteva zeci de volţi. Când însă avem de a face cu tensiuni de ieşire mici vom observa că tensiunea de pe diode devine apropiată de cea dorită la ieşire ceea ce înseamnă un randament redus. De exemplu:

– o diodă redresoare care are tensiunea de deschidere de circa 0,65V şi care este montată într-o sursă care oferă la ieşire 50V la 1A, va duce la pierderi de circa 0,65W (0,65V x 1A). Cum sursa debitează o putere de 50V x 1A = 50W, acel 0,65 W care se pierde pe diode este uşor de neglijat. Făcând abstracţie de celelalte surse de pierderi, în acest caz am avea un procent de pierderi de doar 0,65W x 100/50W = 1,3%;

– o diodă redresoare care are tensiunea de deschidere de circa 0,65V şi care este montată într-o sursă care oferă la ieşire 5V la 1A, va duce tot la nişte pierderi de circa 0,65W (0,65V x 1A). Cum însă sursa debitează o putere de 5V x 1A = 5W, acel 1W care se pierde pe diode nu mai este aşa de uşor de neglijat. În acest caz, procentul de pierderi va creşte la 0,65W x 100/5W = 13%;

Ideea este că cu cât curenţii ceruţi la ieşire sunt mai mari iar tensiunea de ieşire este mai mică, cu atât mai mari vor fi pierderile de energie pe care le va avea acea sursă. Cum căderea de tensiune pe diode nu poate fi prea mult redusă, singura alternativă viabilă pare a fi înlocuirea lor cu ceva care poate redresa curentul electric fără a avea căderi de tensiune prea mari. Ei bine, acel “ceva” poate fi reprezentat de un grup de tranzistoare MOS-FET care sunt comandate în aşa fel încât să se comporte ca nişte diode. În cazul în care te interesează mai mult acest subiect, poţi află mai multe citind despre redresarea sincronă. În practică, circuitele de redresare sincronă înlocuiesc clasicele diode de comutaţie doar atunci când vorbim despre surse de alimentare capabile de curenţi de ieşire foarte mari (de cel puţin câteva zeci de A).

La fel ca şi tranzistoarele din circuitul de comutaţie, diodele din blocul de redresare şi filtrare a tensiunii de ieşire pot produce pierderi de energie atunci când nu sunt suficient de “rapide”. Ca să înţelegi ce înseamnă asta îţi reamintesc că o diodă este ca o supapă dintr-un circuit hidraulic: dacă aceasta nu este suficient de “rapidă” este posibil ca pentru un anumit timp să lase fluidul să curgă şi în celălalt sens. Această problemă nu se poate rezolva altfel decât prin folosirea unor diode redresoare suficient de rapide.

Pierderi în condensatorii de filtrare a tensiunii de ieşire

Cea mai importantă sursă de pierderi în acest caz se datorează ESR-ului (Echivalent Series Resistance), parametru care se reprezintă rezistenţa electrică a bornelor şi armăturilor din interiorul condensatoarelor. Atunci când sarcinile electrice dintr-un condensator se află în repaos, ESR-ul nu ne deranjează cu nimic. Însă atunci când un condensator este încărcat sau descărcat rapid sarcinile electrice din el sunt puse în mişcare circulând de la o bornă spre o armătură din interior sau invers. Ideea este că în acest ultim caz sarcinile se deplasează şi trebuie să învingă ESR-ul, adică rezistenţă electrică a bornelor şi armăturilor prin care trebuie treacă. ESR-ul are de obicei valori mici, cu mult sub 1 ohm, ceea ce nu ar părea mult. Este adevărat, pentru surse de alimentare în comutaţie capabile doar de curenţi mici (maxim 1-2A) ESR-ul rar produce probleme. Însă atunci când dorim curenţi de ieşire de 10A sau mai mult pierderile pe ESR-ul condensatoarelor ajunge să aibă valori de ordinul watt-ilor. Pe lângă asta, aceste pierderi produc încălzirea condensatoarelor, încălzire care grăbeşte îmbătrânirea acestora sau, dacă eşti sufficient de ghinionist, poate produce chiar explozia lor :).

Există trei căi prin care putem reduce efectele pierderilor datorate parametrului ESR:

  • alegerea unor condensatori care au ESR mic. Este o soluţie mai scumpă dar mai puţin voluminoasă;
  • montarea în paralel a mai multor condensatoare mai modeste, care au ESR de valori mari. Această soluţie este mai ieftină dar ceva mai voluminoasă pentru că în loc de un condensator trebuie să foloseşti mai mulţi;
  • montarea unui inductor (a unei bobine) între redresorul din secundarul transformatorului şi condensatorii de filtrare a tensiunii de ieşire. Ştiind că o bobină tinde să menţină constant curentul care trece prin ea, rezultatul ar fi că aceasta ar transformă impulsurile “violente” de curent primite de la transformator într-un semnal mai uniform, mai domol, care are variaţii mai mici şi mai lente. În acest mod componentele condensatorului nu vor mai trebui să înghită curenţi la fel de mari, căderile de tensiune pe ESR vor fi mai mici şi implicit şi pierderile vor fi mai mici. Aceasta ar fi o explicaţie simplificată a modului în care acea bobină acţionează şi deocamdată este suficient să ştii doar asta. Explicaţii detaliate voi aduce într-un articol viitor concentrat doar pe acest subiect.
Concluzii

În ciuda pierderilor de energie implicate de lucrul la frecvenţe incomparabil mai mari decât sursele de alimentare liniare, optimizările aduse surselor de alimentare în comutaţie de-a lungul timpului au reuşit să facă aceste pierderi cel puţin acceptabile. Nu se poate ca dintr-un transformator oricât de mic şi de prost să obţinem o putere oricât de mare aşa cum visam eu cândva, însă cu optimizările de rigoare este posibil astăzi să construim surse de alimentare în comutaţie care comparativ cu sursele de alimentare liniare:

  • au o greutate mai mică şi sunt mult mai puţin voluminoase;
  • au un preţ mai mic;
  • au randament mai mare

Optimizările necesare obţinerii acestor avantaje au împiedicat dezvoltarea unor scheme de surse de alimentare în comutaţie care să ofere performanţe maxime în orice aplicaţie. Din acest motiv cercetătorii au fost nevoiţi să scornească fel de fel de configuraţii de scheme, fiecare fiind potrivită doar pentru anumite aplicaţii. Aceste configuraţii de scheme se numesc “topologii de surse de alimentare în comutaţie” şi despre ele vom vorbi într-unul din articolele viitoare.

Dacă ţi-a plăcut acest articol, spune-le şi prietenilor tăi despre el !

Ciprian

40 thoughts on “Surse de alimentare în comutație: generalități

  1. Salut! am doua surse in comutatie identice,fiecare de 48v/3a, Pot obtine prin cuplarea iesirii lor o tensiune diferentiala de+48 gnd-48 pentru un amplificator audio. Multumesc!

  2. Subiectul surse in comutatie m-a dus cu gandul la noile si usoarele aparate de sudura in comutatie si mi-a amintit de un experiment facut acum vreo 20 de ani pe care nu l-am inteles nici acum.Aveam un aparat de sudura clasic(transformator) si inventia era sa il fac sa scoata curent continuu (ma rog pulsatoriu). Pentru ca nu am gasit diode pentru un redresor clasic (curent foarte mare) pe care sa le folosesc in secundar, m-am gandit (si am gasit usor diode potrivite curent/tensiune) sa redresez curentul inainte de primar,fara filtraj bineinteles crezand ca transformatorul facut sa functioneze la un curent sinusoidal de 50 hz va fuctiona si la unul pulsatoriu de 100hz. S-a ars siguranta intr-o secunda la mers in gol. Eu ma gandeam ca impedanta bobinelor la 100 hz va fi mai mare si s-ar putea sa nu am acelas randament cu 50 hz nicidecum sa se arda siguranta.Am lasat-o balta dar nu am inteles ce s-a intamplat.

    • Bobina prima a unui transformator stocheaza energie magnetica in miezul acestuia. Atat timp cat energia magnetica din miez se afla sub un anumit nivel, miezul ajuta bobina sa aiba o impedanta mare (mult mai mare decat daca bobina nu ar avea nici un fel de miez). Cand insa pompam prea multa energie in miez se ajunge la situatia in care miezul nu mai poate inghiti energie magnetica si spunem ca miezul “a ajuns la saturatie”. Ei bine, cand miezul a ajuns la saturatie, acesta inceteaza sa mai ajute bobina sa aiba o impedanta mare si prin urmare aceasta va avea impendata de zeci sau poate chiar de sute ori mai mica.

      Din acest motiv transformatoarele nu pot lucra cu tensiuni de alimentare continue filtrate (DC) pentru ca acestea nu dau ragaz energiei din miez sa mai scada. Aceasta tot creste si creste pana cand miezul ajunge la saturatie iar impedanta bobinei primare va scadea pana la nivelul in care nu va fi nici o diferenta intre ea si o simpla sarma bagata in priza (efectele banui ca sunt evidente 🙂 ).

      In ceea ce priveste sursele in comutatie, acestea primesc tensiune de intrare sub forma de impulsuri (a caror durata si frecventa este proiectata sa fie suficient de scurta incat sa se previna saturarea miezului). Pe durata aplicarii unui impuls in primar, acesta stocheaza energie in primar. Dupa aplicarea unui impuls in primar practic toata energia din miez este eliminata (transferata in secundar). In acest mod, prin proiectare corespunzatoare, nivelul de energie din miez este pastrat mereu sub limita de saturatie.

      Insa mai devreme sau mai tarziu, incepatorilor le trece prin cap ideea: “hei, dar ce-ar fi sa bag eu curent redresat in primarul unui transformator cu tole din fier” (nu rad de nimeni mai ales ca si eu m-am gandit la inceput la asta 🙂 ). Ei bine, nu merge dintr-un simplu motiv: miezurile din tole din fier (adica din transformatoarele obisnuite de retea) prezinta magnetizare remantenta. Asta inseamna ca un astfel de miez va pastra o buna parte din energia inmagazinata in el chiar si dupa ce pulsul (sau semialternanta) care l-a creat a disparut. Asta in cele din urma inseamna ca daca bagam tensiune redresata intr-un transformator cu tole din fier, din prima semilaternanta ramane in miez niste energie, din urmatoarea semialternanta iar niste energie si tot asa pana cand miezul ajunge la saturatie si … asa cum am explicam mai sus, bobina primara devine o simpla sarma bagata in priza care evident, face BUM.

      In concluzie, un transformator poate lucra si cu impulsuri care au mereu acelasi sens, cu conditia ca cineva sa aiba grija ca nivelul de energie din miez sa fie mereu mai mic decat limita de saturatie a miezului.
      In cazul transformatoarelor din sursele in comutatie, acel cineva este circuitul de comanda al transformatorului si prin urmare sursele in comutatie merg foarte bine si cu impulsuri alternative si cu impulsuri de acelasi sens.
      In cazul transformatoarelor clasice, cu tole din fier, acel cineva nu exista. Prin urmare, saturarea miezului si BOM-ul aferent sunt inevitabile.

      Cred ca e util pentru intelegerea lucrurilor sa spun ca in functionarea normala a unui transformator cu tole, energia remanenta din miez creata de o semialternanta este neutralizata de energia provenita din urmatoarea semialternanta (care este egala dar de semn contrar). Sau altfel spus, daca presupunem ca avem in fata un transformator toroidal:
      – o semialternanta energineaza miezul transformatorului cu un camp magnetic orientat in sens orar;
      – urmatoarea semialternanta creeaza un camp magnetic la fel de puternic dar orientat antiorar, care intai neutralizeaza energia remanenta din miez si apoi continua sa energizeze miezul cu un camp magnetic orientat antiorar;
      – si asa mai departe;

      P.S. oricum, ideea de a obtine tensiune continua in secundar bagat tensiune continua in primar este gresita. Pe durata urcarii tensiunii din primar de la 0V la valoarea maxima vom avea in secundar tensiune de o anumita polaritate, iar pe durata coborarii tensiunii din primar de la valoarea maxima la 0V in secundar vom avea o tensiune inversa. Asta pentru ca tensiune din secundar este determinata snu doar de polaritatea tensiunii din primar ci si de sensul de variarie a acesteia (creste sau scade). Asa ca oricum am da-o, pentru a obtine tensiune continua de la transformatoare trebuie mereu sa folosim redresoare conectate la secundarele acestora.

  3. de ce nu faceti un motor gravitational la inceput e mai usor de inteles cum functioneaza exemplu Dvinci si studiati mai departe daca va prindeti unde este secretul veti putea perfectiona ceva cu mare randament si puteti trece la centrifugal este o idee Chestia cu energie free este foarte valabila dar este si extrem de complicata trebuie studii si imaginatie cit incape

  4. Buna Dimineata. E prima mea postare aici asa ca daca vb. putin pe linga, va rog sa ma scuzati. As fi interesat de o sursa in comutatie de putere (2,5-3 kVA) care sa scoata tensiune reglabila, intre 240-270V. Am construit o sursa clasica, cu traf normal dar e un monstru de vreo 40 kg, pe care il simt, cind il car dupa mine. Avind in vedere ca nu ma pricep la electronica, as fi interesat daca ma poate ajuta cineva contra-cost sa construiesc o sursa in comutatie de putere. Alt aspect interesant ar fi daca iesirea din sursa de comutatie este separata galvanic asa cum este in cazul unui transformator normal.

    • Salut.

      Nu am timp sa te ajut cu construcția insa te avertizez că ai foarte mici șanse să faci ceva de o asemenea putere dacă spui că nu ai experiență în domeniu.

      Insa poate nu ai nevoie de așa ceva. La ce îți trebuie sursa aia (poate îți pot propune o alta varianta).

  5. Pe langa faptul ca am avut de invatat din acest material, am avut parte si de o oarecare doza de umor din partea unor colegi cititori care ca si mine visau la diferite modele de perpetuum mobile, de diferite spete.
    Cum ar trebui procedat pentru a modifica o sursa atx pentru 45 V si 5A, renuntand chiar la protectii? multumesc anticipat.

  6. In privinta ESR-ului :montarea unui inductor (a unei bobine) între redresorul din secundarul transformatorului şi condensatorii de filtrare a tensiunii de ieşire.
    Intr-o sursa ridicatoare dc-dc cu iesire dubla simetrica, ce rol are inductorul cu doua infasurari identice dar montat intre secundarele transformatorului si redresare?
    Va multumesc!

  7. Salut
    Felicitari pentru toate articolele.
    Spune-mi si mie te rog, o sursa in comutatie de 12V cc si 5A alimentata la 230V ca, cati amperi trage din retea la incarcare maxima?
    0.26A ? (considerand randament 100%)
    0,32A? (considerand randament 80%)
    E corect?
    De fapt as vrea sa imi spui cum se calculeaza
    Mersi

      • Nu mi se pare corect ca eu sa primesc un raspuns aici in 4 ore si tu sa astepti aproape 3 saptamani fara raspuns asa ca ma simt dator si incerc sa-ti dau eu un raspuns.
        Calcul tau e facut bine,nu aberezi. Daca vorbesti de randament inseamna ca stii despre pierderile aparute, doar ca nu abordezi bine problema. Ca sa afli randamentul unei surse prin calcule e destul de complexa ecuatia avand suficiente necunoscute(pierderi de aici, pierderi de acolo, etc.) asa ca nu iti ramane decat sa rezolvi problema prin practica cu un ampermetru si rezolvi in 3 secunde(aflii energia care intra in sursa ta ,o scazi pe aia care iese iar resutul sunt pierderi,si deja stii randamentul).
        Numai bine! Totodata, multumesc aici si pentru raspunsul primit la problema mea!

        • Multumesc Razvan
          Stiu ca, calculul randamentului presupune mai multi factori ce trebuiesc luati in considerare. Ma interesa daca e corect calculat cati amperi sunt consumati din retea.

          • E corect calculul tau.

            Ca idee, randamentul este influentat in principal de urmatoarele tipuri de pierderi:
            – pierderi pe diodele redresoare (atat cele din primar cat mai ales cele din secundar). La acest capitor, cu cat tensiunea de iesire este mai mare cu atat randamentul este mai bun pentru ca raportul intre tensiunea care trece de redresor si cea care se pierde pe diode este mai bun (mai mare);
            – pierderi pe tranzistoarele de comutatie (cele care baga putere in primarul transformatorului). Cu cat tranzistoarele au o tensiune de saturatie mai mare (sau o rezistenta in conductie directa mai mare) cu atat randamentul va fi mai mic
            – pierderi pe bobinajul transformatorului. Cu cat firele bobinelor sunt mai subtiri cu atat randamentul va fi mai mic;
            – pierderi in miezul transformatorului. Cu cat frecventa de lucru este mai mare cu atat randamentul va fi mai mic.

            Astea ar fi cele mai grosolane surse de pierderi.

  8. Salut. As vrea sa stiu daca pot folosi un alimentator in comutatie pentru alimentarea unor radiouri performante (3 – 9 V) fara probleme legate de brum. Cu alimentatoarele clasice cu transformator, redresor, stabilizator si filtre nu avem probleme.

  9. Salut. Cu o sursa de alimentare in comutatie pot sa alimentez aparate de radio fara teama existentei un brum nedorit ? cu alimentatoarele clasice cu transformator, redresor, stabilizator si filtre nu aveam probleme.

  10. Buna dl.Ciprian am revenit si eu pe timp de vara nu am nici timpm si nici spatiu,iarna sunt mmai liber cu munca si am timp si pt hobi,va multumesc.

  11. Am un copiator Minolta EP4000 cu sursa in comutatie.A inceput sa dea releul afara,uneori in oscilatie.Am intrebat la Lynx si mi s-a spus ca sursa ori merge ori nu merge si ca contactele releului de protectie a sursei sunt oxidate,Analizand functionarea constat o anumita dependenta si de modificarea consumurilor pe copiator,chiar si un defect intern al sursei.Astept raspuns.

      • De fapt cand merge,cand nu merge.Nu da releul afara de ani si ani cand apare blocaj la cuptor si uneori se rup dintii pinionulu principal.Am avut unul rulat zeci de milioane de copii si niciodata sa dea releul afara.De la sursa firele duc in releu si de aici la lampa cuptor,lampa expunere,etc.Dupa schema d-stra eu cred dar intreb.Desi functionabila sursa nu-si mai poate face corectiile interne chiar pusa pe un copiator nou nout? Sursa nu se mai poate controla de emotii cand anumite contacte sunt oxidate sau oxidate neuniform?Ma refer la contactele releului dar si la niste microrelee cu lamele de pe o placa de alimentare auxiliara.

        • …m-am exprimat in graba cu “de emotii” cand de fapt poate sa apara o oscilatie autoindusa necontrolabila la sursa in procesul de autostabilizare.

        • Sursa este posibil sa aiba ceva circuite pentru detectia fermitatii contactelor releului, caz in care daca releul nu face bine contact microcontroller-ul ia cine stie ce decizii.

          Oricum, eu in locul tau as verifica/curata/inlocui acel releu si condensatorii de filtare (cei mai mari care apar pe placa). Este cam tot ce poti face daca nu ai schema sursei.

          • Raspunsul este pe masura intelegerii.Siguranta sursei o protejeaza la supracurent iar microcontroller-ul inregistreaza tensiunea la fiecare borna stabilita de fabricant pentru parametri.Contactele mobile sunt cele mai sensibile si sa nu se umble la copiator neautorizat.Multumesc.

  12. As dorii sa invat electronica de la baza mai mult si sa jung undeva mai sus, imi place foarte mult cum se explica pe acest site, se poate sa mi se recomande ceva pentru a invata electronica?

    • Salut !

      Informatie multa si buna poti gasi in carti dar si pe alte site-uri ca asta. Insa cel mai bun sfat pe care ti-l pot da este sa te gandesti la un scop precis (sa ajungi sa contruiesti ceva, sa lucrezi intr-un anumit domeniu etc.). In caz contrar, o sa te plictisesti foarte repede.

  13. Multumesc de raspuns Ciprian. Si le multumesc si pentru ceilalti pentru raspuns. Raspunsul lui Doru, m-a cam pus pe ganduri. Chestia aia cam seamna cu un perpetuum mobile. Si eu cand eram mic ma gandisem la asa ceva. sa pun pe acealsi ax un dinam si un motot. Cand alimentam in prima faza motorul cu o tensiune U egala sau mai mare decat ceea data de dinam, motorul mergea si invartea si dinamul. Teoretic credeam ca atunci cand eu o sa intrerup alimentarea motorului dintr-un comutator cu trei pozitii stea, in asa fel ca la decuplarea motorului, dinamul va da curent si va invarti iar motorul ramanand independente. ori nu e asa din cauza frecarilor si a randamentului subunitar. Am tot incercat si prin energtfree. ba soare ba, vant, dar costa. Ma gandeam la o nergie care sa fie captata din cosmos-Univers.Un receptor ceva care sarezoneze pe aceeasi frecventa. Mai este inca mult de munca in a descoperi o energie mare , ieftina si sa nu se termine repede. Energia nucleara, dar e totusi periculoasa. Poate in viitor vom putea creea un mic Soare artificial, care ridicat si controlat cu campuri electrice si electromagnetice, sa ”stea” undeva deasupra pamantului la o distanta optima, fara a face rau la nimeni. Daca ati citit pe Jules Verne cand acela a creata un mic Soare artificial…Oricum o sa incerc macar pentru calculatoare, TV doua, si iluminat. Frigiderul si masina de spalat le las. mai am si centrala pe gaz care consuma si ea curent si un dezumizator. Ce sa fac daca trebuie…Oricum toate becurile din casa le-am trecut pe LED-uri sau neon. dar tot platesc lumina 200 la trei luni si 800 pe luna….:( Am gasit niste montaje UPS de 800 W. cat de bune sunt nu stiu:….Macar 500W….

  14. Apeciez si eu materialele introduse de Ciprian, dar raspunsul catre Grigoriu Marin, referitor la o sursa de energie independenta de ENEL, in opinia mea , parca nu ar fi prea batut in cuie, adica ar trebui luate in calcul alternative.
    In cautarile mele de “free-energy”, cand am tastat: free energy cu volanti, am dat peste: Valy din Bistrita, care a facut o demonstratie de energie gratuita: a alimentat un motor de la priza(220v~), si a asteptat sa-si ia turatia nominala, dupa care l-a scos din priza si aparent a continuat alimentarea motorului printr-un comutator, de la un generator, care era invartit de catre motor, prin fulii intermediare, demultiplicatoare de turatie!!!
    Dupa ce a scos motorul din priza, a aratat ca pe stecher avea tensiune si a mai alimentat de pe sistem, alternativ, diversi consumatori: polizor unghiular cu panza mare(230mm) si invertor de sudura care in sarcina maxima se poate duce pe la 25-30A pe intrare.
    consumatorii i-a tinut perioade scurte in sarcina(polizat , sudat) si sistemul format din:motor, fulie intermediara, generator si volant, se invartea bine merci, producand mult zgomot si oferind Free Energy.
    La treaba asta “Garcea” ar spune: “exista o explicatie”!!.Care ar fi aceea??
    Dupa ce am revenit asupra clipului video, cam nedumerit, am strigat” evrika”..doar ca nu am si testat.
    Eu vad lucrurile asa:
    motor de 1kw…..generator de 1kw.
    motor 3000n/min..generator, util 500n/min :(3000: 500=6)
    Prin demultiplicare, motorul va fi incarcat cam 1/3 si va necesita aproape un curent de mers in gol, pe care generatorul, la turatia lui nominala il poate oferi, plus un supliment pentru diversi alti consumatori. Rolul volantei ar fi sa scoata generatorul din sarcini scurte care tind sa-i reduca turatia, cum ar fi puncte de sudura sau polizari de durata redusa.

    • In nici un caz nu am spus ca totul e batut in cuie iar alternativele ar trebui ignorate. Ideea mea e ca trebuie sa stii bine in ce te bagi atunci cand alegi o alternativa astfel incat sa nu o duci mai rau decat in varianta cu ENEL.
      Ai strigat “Evrika” dar pentru ce ? Ai reusit sa intelegi o alternativa de free energy si ai reusit sa o pui in aplicare sau ti se pare ca ai inteles ceva si fara sa fi testat deja o recomanzi si altora ?
      Am observat ca cei care tipa mai tare “free energy” sunt cei care nu inteleg prea bine cum functioneaza lucrurile in domeniu. Iar tu imi lasi impresia ca nu ai foarte multa experienta in domeniu. De unde am tras concluzia asta ? Pai pentru ca:
      – nu te-ai intrebat “de ce respectivul in anumite momente mai folosea energie de la priza daca avea deja o instalatie care ii oferea energie gratis ?“;
      – din modul in care ai explicat “cum vezi tu lucrurile”, eu unul nu am inteles nimic. Daca nu poti explica clar lucrurile altora, inseamna ca de fapt nici tu nu ai inteles.
      Nu vreau sa te descurajez, vreau doar sa iti atrag atentia ca nu tot ce zboara pe youtube se mananca.
      Si nu in ultimul rand, pentru toti amatorii de free energy: de ce (din cate stiu eu) niciodata sistemele de free energy nu sunt prezentate de oameni cu experienta vasta si cunoscuta in domeniu ? De ce sistemele free energy sunt mereu prezentate de oameni obscuri, de care nu a auzit nimeni si de care dupa cele 2-3 clipuri pe youtube nu mai auzi nimic niciodata ?
      Si nu, nu toti cei care promoveaza free energy sunt redusi la tacere de diverse teorii ale conspiratiei. Cel mai bun exemplu in acest sens sunt sistemele de alimentare cu panouri solare. Acestea exista, e limpede cum functioneaza, fac concurenta ENEL-ului in anumite circumstante si desi ar fi motive nu incearca (sau nu reuseste) nimeni sa le impiedice sa existe. De aici eu trag concluzia ca daca un sistem de free energy de pe youtube nu e luat in seama de specialist, inseamna ca ori nu e functional ori te costa inutil de mult sa o pui in practica.

  15. Multumesc Ciprian, pentru ajutor. Sunt bine venite articolele tale. M-ar interesa si o sursa de putere un fel de convertor de putere de 1-2KW alimentat la baterii- acumulatori 12-sau 24V cu iesire la 220V CA, pentru a ma face independent de cei de la RENEL. Sau macar partial…. Multumesc! Am vazut tot felul de montaje minune de pacalit cu reducerea consumului si micsorarea facturii de lumina. Nu cred in asemenea montaje. Stiu ca orice montaj cupălat la priza , devine consumator ce se adauga la cel consumat.

    • Salut.

      Pentru puteri asa de mari sa stii ca nu este foarte rentabil sa renunti la cei de la ENEL.

      Daca vrei sa poti depinde doar de energia din baterii, la puterea ceruta de tine ai avea nevoie de foarte multe baterii (investitii mari), de un sistem de management puternic si sigur (investitii medii) si de o sursa de energie electrica puternica de la care sa incarci acele baterii (de exemplu panouri solare, adica iar investitii mari).

      Peste tot vezi ca predomina expresia “investitii mari”. Din acest motiv vor trece multi ani pana vei putea spune ca “bre, acum energia ma costa mai putin decat la ENEL”. Cat de multi ani ? Depinde de cat de mare e puterea ceruta de consumatorii tai.

      In concluzie, ia intai si vezi cum reduci consumul de energie electrica la sub 1kwh pe zi, renuntand la consumatorii mari sau inlocuindu-i cu altii care consuma mai putin (folosirea becurilor cu LED, renuntarea la resouri si radiatoare, nu lasi electrocasnicele in functiune mai mult decat e nevoie etc.). Daca faci asta s-ar putea sa vezi ca nu mai e asa de deranjanta factura sau oricum, abia atunci va merita sa te gandesti sa renunti la ENEL.

      Ca idee, cel putin partea de management a unui sistem de alimentare cu baterii este pe lista mea de articole viitoare.

  16. Multumesc Ciprian,chiar mi-a prins bine citirea unui astfel de material.Sunt sigur ca multi amatori de electronica apreciaza-ca si mine-munca ta.
    Cu stima Gigi Raut

Leave a Comment