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Transformadores de corriente de núcleo partido
En el enorme sistema de equipos electrónicos, la fuente de alimentación es una pieza clave para garantizar el funcionamiento estable del equipo. Como dos tipos comunes de fuentes de alimentación, la fuente de alimentación conmutada y la fuente de alimentación lineal tienen diferencias obvias en múltiples dimensiones, que afectan directamente a la aplicabilidad de la fuente de alimentación en diferentes escenarios. Comprender sus diferencias es muy importante para los ingenieros electrónicos profesionales a la hora de diseñar circuitos o para los entusiastas de la electrónica ordinaria a la hora de mantener y utilizar equipos electrónicos.
El núcleo de la fuente de alimentación conmutada es que el tubo de conmutación se enciende y se apaga a alta frecuencia. Tomemos como ejemplo el circuito reductor Buck común:
Fase de conducción: Cuando se enciende el tubo de conmutación, la tensión de entrada se carga en el inductor, el inductor comienza a almacenar energía, y la corriente suministra energía a la carga y carga el condensador de salida al mismo tiempo, y la corriente del inductor aumenta gradualmente.
Fase de apagado: Cuando se apaga el tubo de conmutación, la corriente en el inductor no puede cambiar repentinamente, por lo que formará un bucle a través del diodo en vacío, continuará suministrando energía a la carga, y la corriente del inductor disminuye gradualmente.
Método de control: La tensión de salida se controla con precisión ajustando la proporción del tiempo de conducción del tubo de conmutación en todo el ciclo de conmutación (es decir, el ciclo de trabajo).
Por ejemplo, convertir una entrada de 12 V en una salida de 5 V se consigue ajustando el ciclo de trabajo. La frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada suele estar entre decenas de kHz y varios MHz. Las características de funcionamiento a alta frecuencia le permiten utilizar inductores, condensadores y otros componentes de almacenamiento de energía miniaturizados para mejorar eficazmente la densidad de potencia.
Las fuentes de alimentación lineales utilizan las características de amplificación lineal de los componentes de ajuste lineal (tales como Transformador lineal) para estabilizar la tensión de salida:
Proceso básico: El transformador reduce la tensión alterna de entrada y el rectificador la convierte en continua. Tras un suavizado preliminar mediante el condensador de filtro, el tubo de ajuste lineal ajusta continuamente la resistencia interna en función de la señal de realimentación para estabilizar la tensión de salida.
Estado de funcionamiento: El tubo de ajuste lineal trabaja siempre en la zona de amplificación lineal, y la corriente pasa continuamente, asegurando la estabilidad del proceso de ajuste de tensión.
Este método de ajuste continuo hace que la tensión de salida sea más estable y es adecuado para escenarios con requisitos de precisión de tensión elevados.
La eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas suele oscilar entre el 70% y el 95%, debido principalmente a las siguientes características:
Cuando está encendido: la resistencia interna del tubo del interruptor es extremadamente pequeña, y la pérdida de calor es baja cuando pasa la corriente.
Cuando está apagado: casi no pasa corriente y la pérdida de potencia puede ignorarse.
Sólo en el momento de la conmutación: se genera una cierta pérdida debido al solapamiento de la tensión y la corriente, pero la proporción global es pequeña.
En aplicaciones de alta potencia (como fuentes de alimentación de servidores y equipos industriales), las características de alta eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas pueden reducir significativamente el consumo de energía y ahorrar costes operativos.
La eficiencia de las fuentes de alimentación lineales suele oscilar entre el 30% y el 60%, principalmente porque:
El tubo de ajuste lineal necesita consumir continuamente su propia energía para ajustar la tensión de salida.
Cuando la diferencia de tensión de entrada y salida es grande, la pérdida de potencia en el tubo de ajuste es significativa, y se desperdicia una gran cantidad de energía eléctrica en forma de energía térmica.
Por ejemplo, cuando la entrada es de 12 V y la salida de 5 V, el tubo de ajuste tiene que soportar una caída de tensión de 7 V, y toda esta parte de la energía se convierte en calor. Por eso, las fuentes de alimentación lineales se utilizan sobre todo en aplicaciones de baja potencia y eficiencia.
Debido a su modo de funcionamiento por impulsos, el rizado de salida de la fuente de alimentación conmutada es grande. Aunque el rizado puede reducirse añadiendo un circuito de filtrado (como condensador electrolítico + condensador cerámico en paralelo), su nivel de rizado sigue siendo superior al de la fuente de alimentación lineal.
Escenarios aplicables: Aplicable a equipos con bajos requisitos de rizado, como las fuentes de alimentación ordinarias para accionamiento de motores.
Escenarios restringidos: No aplicable a circuitos con elevados requisitos de pureza de potencia, como el procesamiento de señales analógicas de precisión o los equipos de audio de gama alta.
La fuente de alimentación lineal tiene un rizado de salida extremadamente pequeño mediante ajuste lineal y filtrado suave, y es adecuada para:
Equipos de medición de alta precisión (como osciloscopios, instrumentos de diagnóstico médico)
Sistemas con requisitos de estabilidad de tensión extremadamente altos (como instrumentos de investigación científica, circuitos amplificadores de precisión).
La fuente de alimentación conmutada tiene una frecuencia de funcionamiento alta, puede utilizar inductores y condensadores pequeños y no requiere grandes transformadores de frecuencia de alimentación. transformadores de frecuenciapor tanto:
Tamaño reducido y peso ligero
Alta densidad de potencia: puede proporcionar mayor potencia con el mismo volumen
Muy utilizado en dispositivos portátiles (como cargadores de teléfonos móviles, adaptadores de corriente para tabletas) y sistemas con estrictos requisitos de espacio.
La fuente de alimentación lineal tiene una frecuencia de funcionamiento baja y requiere el uso de transformadores de potencia de gran tamaño. transformadores de potencia y condensadores de filtro de gran capacidad, lo que resulta en:
Gran tamaño y peso
No apto para equipos con limitaciones de espacio
En ocasiones como equipos médicos portátiles y pequeños drones, las fuentes de alimentación lineales pueden verse limitadas por cuestiones de volumen
Debido a la presencia de componentes de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores, se tarda cierto tiempo en ajustar la tensión de salida cuando la carga cambia repentinamente. Aunque la velocidad de respuesta puede mejorarse optimizando el circuito de control, la mejora de la velocidad de respuesta está limitada por las características de los componentes de almacenamiento de energía.
Escenarios aplicables: equipos con cambios de carga poco frecuentes
El tubo de ajuste de la fuente de alimentación lineal puede ajustar rápidamente la resistencia interna y responder a los cambios de carga. Es adecuado para:
Amplificador de audio (necesidad de seguir rápidamente la señal de audio)
Sistema de adquisición de datos de alta velocidad
Sistema de control de movimiento de precisión
La fuente de alimentación conmutada generará armónicos de alta frecuencia durante el encendido y apagado de alta frecuencia, lo que provocará fuertes interferencias electromagnéticas (EMI):
Interferencia conducida: conducida a través de la línea eléctrica
Interferencia radiada: radiada a través del espacio
Para reducir las interferencias es necesario aplicar medidas de filtrado, apantallamiento y diseño optimizado de las placas de circuito impreso, lo que aumenta la complejidad y el coste del diseño.
La fuente de alimentación lineal tiene una frecuencia de funcionamiento baja, y las principales fuentes de interferencia electromagnética son las fugas del transformador y el ruido del rectificador. La frecuencia de interferencia es baja y la intensidad es débil, por lo que casi no se requieren medidas adicionales de supresión.
Escenarios aplicables: Entornos sensibles a las interferencias electromagnéticas, como cerca de equipos de comunicación inalámbrica.
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