Aici, în partea a 5-a din seria noastră de tutoriale video pentru începători în domeniul surselor de alimentare, vom termina prin compararea diferitelor tipuri de surse de alimentare pe care le-am văzut, atât liniare cât și de comutație, și vom vedea avantajele și dezavantajele surselor de comutație și a celor liniare.

Vizionați videoclipul din partea 5 pentru a afla mai multe!

În urma transcrierii tutorialului video

Timp: 0: 00 Bună ziua, eu sunt Chris Richardson, și dacă ați ajuns la partea 5, atunci probabil știți că sunt un inginer electronist concentrat pe surse de alimentare. Aceasta este a cincea parte dintr-o serie de seminarii web pentru entuziaștii din domeniul alimentării cu energie electrică sau pasionați care nu sunt instruiți neapărat ca ingineri de electronică.

Până acum, am adunat niște echipamente ieftine pentru a testa sursele de alimentare. Am văzut sursele nereglate de alimentare. Am testat diverse regulatoare liniare și au fost testate diverse regulatoare de comutare. În această secțiune vom compara exemplele acestor surse de alimentare diferite și le vom examina pentru a vedea care dintre ele se potrivește cel mai bine în aplicații diferite.

Agenda surselor de alimentare

Timp: 0: 31s Există multe, multe tipuri diferite de surse de alimentare acolo. De la sisteme mici, care utilizează miliwați (mW) sau chiar microwați (uW) în zone, cum ar fi așa-numitul câmp de recoltare a energiei, la megawați (MW) în generarea și distribuția electrică. Prin urmare, alegerea celui mai adecvat dispozitiv pentru aplicația dvs. este un pas important în utilizarea și proiectarea sursei de alimentare.

Compararea eficienței surselor de alimentare

Timp: 0:48 Indiferent de tipul sursei de alimentare testate, testarea exactă a eficienței energetice necesită un ampermetru și un voltmetru pentru intrarea în sursa de alimentare și apoi un alt ampermetru și un alt voltmetru pentru fiecare ieșire. Pentru circuitele de putere foarte scăzută, în general sub o zecime de un watt (1/ 0W sau 0,1W), este nevoie de echipament special, deoarece ampermetrul și voltmetrul consumă întotdeauna o anumită putere și ar distorsiona aceste măsurători.

Mă voi concentra pe surse de energie de cel puțin un watt putere de ieșire, deoarece echipamentul special nu este cu siguranță pe lista mea de dispozitive la prețuri accesibile despre care am vorbit în prima parte.

Timp: 1:18sDetectarea Kelvin se referă la măsurarea tensiunii de intrare și de ieșire direct la intrările și ieșirile sursei de alimentare. Plăcile demo pe care le folosesc mereu includ puncte de testare chiar lângă condensatoarele de intrare și, de asemenea, condensatoarele de ieșire pentru acest scop.

Dacă utilizați citirea de tensiune a unei surse de alimentare de laborator sau aveți încredere în caseta ATX pentru a da exact 12 V sau 5 V, măsurătorile dvs. vor fi greșite, deoarece tensiunea este mai mică din cauza căderilor rezistive pe cablurile de conectare. Ampermetrul însuși utilizează, de asemenea, un rezistor serie și ceva tensiune se pierde pe el.

Timp: 1: 48s Pentru primul experiment de eficiență, mă întorc la sursa de alimentare nereglată aici. Se folosește cu o sursă de curent liniar stabilită pentru a consuma 500 mA. Multimetrul albastru măsoară curentul de intrare (IIN) și multimetrul portocaliu măsoară tensiunea de intrare (VIN).

La pornirea "ON", intrarea consumă 30,8 mA la 226 Vrms și acum voi comuta lucrurile în jur și voi uita la curentul de ieșire (IOUT) și tensiunea de ieșire, (VOUT).

Timp: 2:16s Același circuit, dar acum când îl comut "ON" am de gând să măsor curentul de ieșire la 510 mA și tensiunea de ieșire la 6,2 V. Amintiți-vă că acesta este un circuit semi-reglat. În practică, dacă am fi calculat o mulțime de puncte de eficiență, am varia sarcina. Dar, această sursă de curent liniar este de fapt logaritmică în modul în care se ajustează cu acest potențiometru, astfel încât aceasta se face puțin mai dificil.

Acum, repet experimentul, dar în loc să folosesc sursa de alimentare nereglată, folosesc o sursă de alimentare în comutație reglată. Acesta este curentul de ieșire și tensiunea de ieșire și atunci când îl pornesc "ON", din nou 510 mA. Dar, nu este de fapt atât de bine reglată, așa cum am așteptat să fie la cei 6,5 volți și aici avem de fapt 7,07 volți. Cu toate acestea, putem lua aceste două date de date și facem o trasare de eficiență.

Acum, testez curentul de intrare și tensiunea de intrare la sursa de alimentare DC-to-DC în comutație și putem vedea deja că curentul de intrare este mult mai mic, în timp ce tensiunea de intrare este aproape exact aceeași. Deci știm că eficiența va fi mult mai bună și acum avem încă două puncte de date, așa că să mergem mai departe și să calculăm.

Compararea creșterii de disipare și temperatură

Timp: 3: 26s În slide-urile și videoclipurile anterioare am văzut că regulatoarele de comutație sunt mult mai eficiente decât regulatoarele liniare în majoritatea cazurilor. Deci, nu ar trebui să fie prea surprinzător faptul că regulatoarele liniare, utilizate în aceleași condiții de VIN, VOUT și IOUT, disipă mult mai multă putere și componentele lor devin mult mai calde decât regulatoarele de comutație echivalente.

Cu toate acestea, zgomotul electric scăzut, simplitatea și costul scăzut al regulatoarelor NPN și LDO (Regulatoare Low Drop out) le fac alegerea mea preferată ori de câte ori este rezonabil să le utilizez. Criteriile mele sunt următoarele:

Nr.1 - VOUT < VIN(min) (tensiune minimă de intrare)

Nr.2 - VOUT nu este negativă în raport cu VIN

Nr.3 - VOUT nu este izolat de VIN pentru siguranță sau reducerea zgomotului

Nr.4 - (VIN(max) - VOUT) * IOUT(max) este mai mică de 1 watt

Acest lucru presupune că nu aveți spațiu sau buget pentru un radiator și, din experiența mea, există cu adevărat spațiu sau bani pentru radiatoare. Ar putea fi surprinzător faptul că multe radiatoare care pot disipa mai mult de un watt costă mai mult decât cipul de control al sursei de alimentare.

Timp: 4: 29s Pentru a vorbi despre căldură, am aici convertorul meu sincron buck. Acesta este probabil cel mai eficient dintre toate convertoarele de putere de comutație și livrează aproximativ 27 sau 28 de wați. Îl alimentăm de la 12 V din sursa mea ATX aici. Am aproape exact 5 V ca tensiune de ieșire, aproximativ 5,5 amperi ca curent de ieșire și asta datorită unui grup de rezistoare de putere care are o rezistență totală sub 1 Ω.

Pentru a da o idee, temperatura ambiantă în cameră este undeva între 27 și 28oC. Unul dintre rezistentele de putere este destul de fierbinte la aproape 50oC. Intotdeauna mă gândesc că orice lucru peste 50oC este incomod la atingere.

Dacă încep să măsoară temperatura unor componente de putere, comutatorul MOSFET este componenta care devine cea mai caldă și este abia peste 30oC. Acesta este MOSFET-ul de puterea sincron, ușor mai rece la 29oC.

Inductorul de putere este, de asemenea, un element care se poate încălzi foarte mult și abia peste 30oC. Ultimul lucru pe care îl vom măsura este un condensator de intrare electrolitic din aluminiu, care abia se încălzește. Asta înseamnă că ar trebui să aibă o durată lungă de viață.

Timp: 5: 57s Dacă ați urmărit secțiunea privind regulatoarele liniare, atunci vă veți aminti că acest regulator liniar discret (arătând placa de circuit) are un radiator mare, mare și are un cip de control și un tranzistor de putere discret. Așa că vom compara acest lucru cu convertorul buck pe care tocmai l-am făcut.

Multimetrul albastru este curentul de ieșire (IOUT) și multimetrul portocaliu este tensiunea de ieșire (VOUT), deci sarcina de aici, care este în totalitate 1Ω, consumă atât de mult curent încât, de fapt, se prăbușește puțin tensiunea de ieșire aici. Dar acest lucru este încă un test termic bun, cu temperatura ambiantă aici, de aproximativ 27oC. Singurul lucru care contează cu adevărat într-un regulator liniar este cipul în sine, care în acest caz este elementul de trecere discret.

Dacă aș pune sonda de temperatură pe el, ar fi frumos și fierbinte, probabil peste 100^oC. Am vârful termocuplului chiar la joncțiunea radiatorului și capătul acelui MOSFET de putere discret. Există o diferență uriașă, dar nu uitați că niciunul dintre componentele regulatorului buck nu a fost de peste 31 sau 32oC sau cam așa ceva. O voi dezactiva, deoarece este supraîncălzită.

Compararea ripplului la intrare și ieșire

Timp: 7:16sRegulatoarele liniare bat regulatoarele de comutație fără nici o îndoială atunci când vine vorba de un zgomot redus conductiv. Aceasta vine de la intrările lor pe care le vedem în partea superioară a ecranului aici, iar acestea pot fi supuse unor limite legale și pentru ieșirile lor care sunt adesea sensibile la zgomot. De exemplu, majoritatea circuitelor digitale sunt sensibile la zgomotul anumitor frecvențe.

Trei moduri de reducere a ripplu-lui tensiunii atunci când disiparea puterii sau transformarea tensiunii vă forțează să utilizați un switcher sunt:

Nr.1 - Alegeți cu atenție topologia regulatorului de comutație. Amintiți-vă că regulatoarele buck sunt mai zgomotoase la intrări decât la ieșirile lor, dar regulatoarele boost sunt opusul. Regulatoare buck-boost inversoare și regulatoarele flyback sunt zgomotoase la ambele capete. Dar acesta este prețul care trebuie plătit pentru a mări sau micșora tensiunea de ieșire.

Nr.2 - Adăugați un filtru Low-pass la ieșire. Uzual, filtru format din inductor și un condensator (filtru LC). Filtrele sunt întotdeauna low pass, deoarece doriți DC pur și zgomotul este prin natura sa, AC.

Nr.3 - Utilizați un regulator de comutație pentru a obține foarte aproape, dar chiar deasupra VOUT dorit și atunci utilizați un LDO ca un așa-numit "post regulator". Acest lucru minimizează disiparea de putere în LDO și face ca tensiunea de ieșire să fie foarte netedă.

Timp: 8: 26s Pentru a compara ripplul tensiunii de alimentare, am atât regulatorul buck din stânga și LDO-ul meu cu tranzistor de putere discret pe dreapta. Fiecare dintre ele utilizează +12 V de la sursa de alimentare ATX. Fiecare are aceeași sarcină, două rezistoare de putere de 8 Ω în paralel pentru a face o sarcină totală de 4 Ω, iar pe slide-ul anterior ați văzut ripplul tensiunii de intrare.

Compararea ripplului la ieșirea regulatorului

Timp: 8: 47s Acum folosim osciloscopul pentru a măsura cele două rippluri ale tensiunii de ieșire. Din nou, ieșire de 5 volți pentru LDO și ieșire de 5 volți pentru regulatorul buck și dacă privim osciloscopul, ripplu regulatorului buck este galben și ripplu LDO este albastru.

La început, puteți spune că ele arată aproape la fel, dar cea mai mare parte a ripplu-lui pe care îl vedem în albastru este rezultatul cuplării zgomotului din buck. Dacă scoatem sonda, putem vedea că zgomotul LDO este mult mai mic.

Compararea zgomotului radiat

Timp: 9:20sRegulatoarele liniare radiază, de asemenea, mult mai puțin zgomot decât regulatorul de comutație, chiar și un comutator procesează mult mai puțină putere. Când proiectez surse de alimentare, de obicei durează mai mult pentru a proiecta filtrele și circuitele de reducere a zgomotului electromagnetic, decât pentru a proiecta comutatorul în sine.

Dacă știți pe cineva care și-a luat produsul pentru testarea în laboratoarele UL din Statele Unite sau pentru testarea CE în Europa, atunci pot avea povești de petrecere a zilelor pe încercări și corecții de eroare pentru zgomot conductiv sau mai frecvent radiat care depășea limitele. Acesta este un alt motiv pentru care folosesc regulatoare liniare ori de câte ori pot.

Timp: 9: 52s Pentru a demonstra interferența electromagnetică (EMI), am aici un radio AM (Amplitude Modulated - modulat în amplitudine) reglat undeva în jur de 600 kHz, care se află în intervalul frecvențelor de comutare a acestui regulator buck. În momentul de față nu este "ON" și putem să vorbim aici de un radio vorbitor de spaniolă. Când comut circuitul "ON", zgomot suficient desigur. Când am pus radioul mai aproape de sursă, care este nodul de comutare și inductorul, mai multă interferență am auzit.

Încă o dată pentru testul EMI am radioul AM reglat la aproximativ 600 kHz, sau cam așa, ceva și am văzut mai devreme cu regulatorul buck că de îndată ce l-am comutat "ON", nu avem decât zgomot static. Când comut regulatorul liniar "ON", avem aproximativ aceeași putere de ieșire, dar, deși există un pic de interferență, putem auzi radioul AM chiar bine dacă ajungem aproape de sursa de alimentare și asta e frumusețea regulatoarelor liniare, există foarte puțin zgomot radiat.

Timp: 10: 59s Un test suplimentar. Am acum același radio, dar acum este reglat la FM (Frequency Modulated) 92 MHz și sună bine. Dacă pun antena aproape, interferența începe din nou. Acest lucru se întâmplă deoarece invertorul de comutație nu funcționează doar la 400 kHz până la 1 MHz, dar are multe armonice și are, de asemenea, zgomot de înaltă frecvență. Acestea se extind și interferează de asemenea cu banda FM.

Acum o să testăm regulatorul liniar. Am aici radioul meu FM și cu antena aproape, voi comuta "ON", dar trebuie să fie rapid, deoarece acest lucru devine foarte fierbinte, după cum puteți vedea consumă o mulțime de curent și de tensiune aici, și indiferent ce fac, eu pot continua să ascult radioul spaniol.

Aceasta încheie partea 5 a surselor de alimentare pentru non-EE. Acesta este ultimul tutorial video din serie pentru moment și mi-a fîcut plăcere să fac aceste videoclipuri. În numele meu și electronice-tutorials.ws sper sincer că ați învățat ceva și mulțumesc din nou pentru vizionare.

Sfârșitul transcrierii.

Puteți găsi mai multe informații și un tutorial excelent despre diferite tipuri de surse de alimentare, urmând acest link despre: Surse de alimentare în modul comutație.