Fuente de alimentación secundaria

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Fuente de alimentación secundaria : un dispositivo que convierte los parámetros de la electricidad de la fuente principal de suministro de energía (por ejemplo, una red industrial) en electricidad con los parámetros necesarios para el funcionamiento de los dispositivos auxiliares. Distinga entre fuentes de alimentación secundarias estabilizadas y no estabilizadas. [una]

La fuente de alimentación secundaria se puede integrar en el circuito general (generalmente en dispositivos simples; o cuando es necesario regular (establecer, cambiar) y estabilizar el voltaje en un cierto rango, incluso dinámicamente; por ejemplo , las placas base de varias computadoras tienen convertidores de voltaje integrados para alimentar la CPU y otros circuitos integrados , módulos y PU , o cuando incluso una ligera caída de voltaje en los cables de alimentación es inaceptable), fabricados en forma de módulo ( fuente de alimentación , bastidor de alimentación, etc. ), o incluso ubicado en una habitación separada ( taller de suministro de energía ).

Tareas de la fuente de alimentación secundaria

Garantizar la transferencia de energía : la fuente de alimentación debe garantizar la transferencia de una potencia dada con la menor pérdida y el cumplimiento de las características especificadas en la salida sin dañarse a sí misma. Por lo general, la potencia de la fuente de alimentación se toma con cierto margen.
Conversión de forma de onda de voltaje : conversión de voltaje de CA a CC y viceversa, así como conversión de frecuencia , formación de pulsos de voltaje, etc. La mayoría de las veces, es necesario convertir el voltaje de frecuencia de alimentación de CA a CC.
Conversión de magnitud de voltaje , tanto hacia arriba como hacia abajo. A menudo, se necesita un conjunto de varios voltajes de varios tamaños para alimentar varios circuitos.
Estabilización : el voltaje, la corriente y otros parámetros en la salida de la fuente de alimentación deben estar dentro de ciertos límites, según su propósito, bajo la influencia de una gran cantidad de factores desestabilizadores: cambios en el voltaje de entrada, corriente de carga, etc. La mayoría de las veces, es necesaria la estabilización de voltaje en la carga, pero a veces (por ejemplo, para cargar baterías) es necesaria la estabilización de corriente.
Protección : el voltaje o la corriente de carga en caso de mal funcionamiento (por ejemplo, un cortocircuito ) de cualquier circuito puede exceder los límites permitidos y desactivar el aparato o la fuente de alimentación en sí. Además, en muchos casos, se requiere protección contra el paso de corriente por el camino equivocado: por ejemplo, el paso de corriente a través del suelo cuando una persona o un objeto extraño toca las partes vivas.
El aislamiento galvánico de los circuitos es una de las medidas para proteger contra el flujo de corriente por el camino equivocado.
Ajuste - durante el funcionamiento, puede ser necesario cambiar cualquier parámetro para garantizar el correcto funcionamiento del aparato.
Control : puede incluir ajustes, encender/apagar cualquier circuito o la fuente de alimentación en su conjunto. Puede ser tanto directo (utilizando los controles en la carcasa del dispositivo) como remoto, así como software (proporcionando encendido / apagado, ajuste en un momento específico o con el inicio de cualquier evento).
Control : visualización de parámetros en la entrada y salida de la fuente de alimentación, encendido / apagado de circuitos, operación de protecciones. También puede ser directo o remoto.

En la mayoría de los casos, las fuentes de energía secundarias se enfrentan a la tarea de convertir electricidad de una red de corriente alterna de frecuencia industrial (por ejemplo, en Rusia, 240 V 50 Hz, en los EE. UU., 120 V 60 Hz).

Los dos diseños más típicos son transformadores y fuentes de alimentación conmutadas.

Transformador

La fuente de alimentación clásica es una fuente de alimentación de transformador, hecha de acuerdo con un esquema lineal. En el caso general, consiste en un transformador reductor o autotransformador , en el que el devanado primario está diseñado para tensión de red . Un rectificador está conectado al devanado secundario , que convierte el voltaje alterno en directo (pulsante unidireccional). En la mayoría de los casos, el rectificador consta de cuatro diodos que forman un puente de diodos (rectificador de onda completa), con menos frecuencia, de un diodo (rectificador de media onda). A veces se utilizan otros circuitos, como en los rectificadores de duplicación de voltaje. Se instala un filtro después del rectificador , suavizando las oscilaciones (ondulaciones). En su forma más simple, es un capacitor grande .

Además, se pueden instalar en el circuito filtros de interferencia de alta frecuencia, ráfagas ( varistores ), protección contra cortocircuitos (cortocircuito), estabilizadores de voltaje y corriente .

Dimensiones del transformador

De la tercera ecuación de Maxwell, que es un registro matemático de la ley de inducción electromagnética de Faraday , se deduce que la FEM inducida en una vuelta del devanado, que cubre el flujo magnético variable en el tiempo , es igual a: $\textstyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\parcial {\vec {B}}}{\parcial t)),$ $E_1$ $\Fi$

E_{1}={\frac {d\Phi}{dt}}~.

Con un cambio sinusoidal a la vista: $\Fi$

\Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t)~,

dónde:

\Phi _{0}

- valor de amplitud (máximo) ;

\Fi

\omega

es la frecuencia angular ;

t

- tiempo.

Esto implica:

E_{1}(t)=\Phi_{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

El flujo magnético está relacionado con la inducción magnética [2] por la fórmula: $B$

{\ estilo de visualización \ Phi = B \ cdot S ~,}

donde es el área del bucle. $S$

Con un cambio sinusoidal prácticamente importante en los transformadores según la ley: $segundo(t)$

B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t)~,

donde es el valor de amplitud (máximo) de la inducción en el núcleo ( circuito magnético ) del transformador. $B_{0}$

Por lo tanto, la FEM de una vuelta del devanado secundario en transformadores, cuyo devanado primario se alimenta con una corriente sinusoidal y cuyo circuito magnético ferromagnético no entra en saturación magnética , se expresa mediante la fórmula:

E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

En la práctica y en los cálculos de transformadores, no es la amplitud, sino el valor de la raíz cuadrada media (efectivo) de la FEM o voltaje, que, en el caso de un cambio sinusoidal, está asociado con el valor de amplitud del EMF por la expresión:

E_{ef}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}~.

Sustituyendo la última fórmula en la expresión EMF por un giro y teniendo en cuenta que

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $F$ - frecuencia , tenemos la fórmula básica para calcular el número de vueltas de los devanados del transformador, ya que la FEM del devanado es directamente proporcional al número de vueltas en el devanado:

E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4.43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f~,

donde es la FEM efectiva de un turno. ${\ Displaystyle E_ {eff1}}$

Potencia dada por el devanado secundario del transformador: $PAGS$

P=U\cdot I~,

dónde:

tu

- tensión de devanado bajo carga;

yo

- corriente de bobinado.

Dado que la corriente máxima del devanado está limitada por la densidad de corriente límite en los conductores del devanado para una sección transversal dada y , se deduce que para aumentar la potencia del transformador sin cambiar sus dimensiones, es necesario aumentar y / o . $U\sim E_{eff1}$ $B_{0}$ $F$

Se evita un aumento significativo por el fenómeno de saturación magnética del núcleo. En la saturación, que se produce en los extremos de la corriente del devanado primario durante el período, de lo que se deduce que: en primer lugar, disminuye la reactancia del devanado primario, lo que provoca un aumento de la corriente en vacío y un aumento de la calentamiento del devanado debido a la resistencia óhmica y, en segundo lugar, aumentan las pérdidas por histéresis debido a la inversión magnética del circuito magnético, a medida que aumenta el área del bucle de histéresis, lo que provoca un aumento de las pérdidas de calor en el circuito magnético. $B_{0}$

Desde el punto de vista de pérdidas en el circuito magnético, es necesario reducir la inducción máxima en el circuito magnético ( ) tanto como sea posible, pero este enfoque no es económicamente factible, ya que, en igualdad de condiciones, aumenta las dimensiones y consumo de material del transformador. Por lo tanto, en el circuito magnético, se eligen en base a un compromiso razonable, y para transformadores de baja potencia aumentan, y para transformadores potentes disminuyen. Esto se debe al hecho de que el núcleo magnético de un transformador pequeño se enfría de manera más eficiente que el de los transformadores grandes. Para los aceros eléctricos en los transformadores de frecuencia industriales, eligen entre 1,1-1,35 T en transformadores con una potencia de hasta cientos de W y de 0,7 a 1,0 T para transformadores de alta potencia de subestaciones de distribución. ${\ Displaystyle B_ {m}}$ ${\ Displaystyle B_ {m}}$ ${\ Displaystyle B_ {m}}$ ${\ Displaystyle B_ {m}}$

Basado en la fórmula práctica aplicada, obtenida al sustituir en el valor teórico de la FEM de la bobina del valor dado y la frecuencia de 50 Hz : ${\ Displaystyle B_ {m}}$ ${\ Displaystyle B_ {m}}$

E_{eff1}={\frac{S}{33...70}}~.

Aquí expresado en cm 2 - en voltios. Se eligen valores de denominador más pequeño para transformadores de baja potencia, grandes para transformadores potentes. $S$ ${\ Displaystyle E_ {eff1}}$

Otra forma de aumentar la potencia del transformador es aumentar la frecuencia de operación. Aproximadamente, podemos suponer que para un tamaño dado del transformador, su potencia es directamente proporcional a la frecuencia de operación. Por lo tanto, aumentar la frecuencia en un factor de potencia constante permite reducir el tamaño del transformador en un factor (el área de la sección transversal del circuito magnético disminuye en un factor) o, en consecuencia, su masa por un factor $k$ ${\ estilo de visualización \ sim {\ sqrt {k))}$ ${\ estilo de visualización \ sim k}$ ${\ estilo de visualización \ sim {\ sqrt [{3/2}] {k))}$

En particular, incluso por estos motivos, en las redes de alimentación a bordo de aeronaves y barcos , se suele utilizar una frecuencia de 400 Hz con una tensión de 115 V.

Pero un aumento en la frecuencia empeora las propiedades magnéticas de los circuitos magnéticos, principalmente debido a un aumento en las pérdidas por histéresis, por lo tanto, a frecuencias de operación superiores a unos pocos kHz, se utilizan circuitos magnéticos ferrodieléctricos de transformadores, por ejemplo, ferrita o hechos de carbonilo de hierro.

Las fuentes modernas de suministro de energía secundaria para varios electrodomésticos, computadoras, impresoras, etc. ahora se realizan en la mayoría de los casos de acuerdo con los esquemas de fuentes pulsadas y han reemplazado casi por completo a los transformadores clásicos. En dichas fuentes , la separación galvánica del circuito alimentado y la red de alimentación, obteniendo un conjunto de tensiones secundarias necesarias, se realiza mediante transformadores de alta frecuencia con núcleo de ferrita. La fuente de voltaje de alta frecuencia son los circuitos de tecla de pulso con teclas semiconductoras, generalmente de transistor . El uso de tales dispositivos, a menudo llamados inversores , le permite reducir el peso y las dimensiones del dispositivo muchas veces, así como mejorar aún más la calidad y confiabilidad del suministro de energía, ya que las fuentes pulsadas son menos críticas para la calidad del suministro de energía. en la red primaria: son menos sensibles a las sobretensiones y caídas en el voltaje de la red y al cambio en su frecuencia.

Ventajas y desventajas

Ventajas de las fuentes de alimentación del transformador.

Simplicidad de diseño.
Confiabilidad _
Menos sensible a las sobretensiones en la red: para inhabilitar dicha fuente de alimentación, el impulso debe dañar el aislamiento de vuelta a vuelta del transformador de red.
La ausencia de interferencias de radio [nota 1] (a diferencia de la interferencia de pulsos debido a componentes armónicos [3] ).

Desventajas de las fuentes de alimentación del transformador.

Gran peso y dimensiones, en proporción a la potencia.
Compensación entre eficiencia reducida y estabilidad del voltaje de salida: para garantizar un voltaje estable, se requiere un regulador que introduzca pérdidas adicionales.

Aplicación

Las fuentes de alimentación lineales se utilizan ampliamente en varios aparatos eléctricos de bajo voltaje. Coloquialmente, a menudo se los denomina adaptadores de corriente o simplemente adaptadores. Los cargadores tienen un diseño similar y también se pueden usar como fuentes de alimentación.

Fuente de alimentación conmutada

Las fuentes de alimentación conmutadas son un sistema inversor . En las fuentes de alimentación conmutadas, primero se rectifica el voltaje de entrada de CA. La tensión de CC resultante se convierte en pulsos rectangulares de frecuencia aumentada y un cierto ciclo de trabajo , ya sea suministrados al transformador (en el caso de fuentes de alimentación pulsadas con aislamiento galvánico de la red) o directamente al filtro de paso bajo de salida (en el caso de fuentes pulsadas ). fuentes de alimentación sin aislamiento galvánico). En las fuentes de alimentación de pulsos, se pueden usar transformadores de tamaño pequeño; esto se debe al hecho de que con el aumento de la frecuencia, la eficiencia del transformador aumenta y los requisitos para las dimensiones (sección) del núcleo requerido para transferir la potencia equivalente disminuyen. En la mayoría de los casos, dicho núcleo puede estar hecho de materiales ferromagnéticos, a diferencia de los núcleos de los transformadores de baja frecuencia, que utilizan acero eléctrico.

En las fuentes de alimentación conmutadas, la estabilización de voltaje se proporciona mediante retroalimentación negativa . La retroalimentación le permite mantener el voltaje de salida a un nivel relativamente constante, independientemente de las fluctuaciones en el voltaje de entrada y la carga. La retroalimentación se puede organizar de varias maneras. En el caso de fuentes de impulsos con aislamiento galvánico de la red, los métodos más habituales son utilizar la comunicación a través de uno de los devanados de salida del transformador o mediante un optoacoplador . Dependiendo de la magnitud de la señal de retroalimentación (dependiendo del voltaje de salida), el ciclo de trabajo de los pulsos en la salida del controlador PWM cambia . Si no se requiere desacoplamiento, generalmente se usa un divisor de voltaje resistivo simple . Por lo tanto, la fuente de alimentación mantiene un voltaje de salida estable.

Ventajas y desventajas

Ventajas de cambiar las fuentes de alimentación

Comparables en potencia de salida a los estabilizadores lineales, los reguladores de conmutación correspondientes tienen las siguientes ventajas principales:

menos peso debido al hecho de que al aumentar la frecuencia es posible utilizar transformadores más pequeños con la misma potencia transmitida. La masa de los estabilizadores lineales consiste principalmente en potentes transformadores de potencia pesados de baja frecuencia y potentes radiadores de elementos de potencia que funcionan en modo lineal. Además, debido a la mayor frecuencia de conversión, las dimensiones del filtro de voltaje de salida se reducen significativamente (se pueden usar capacitores de capacidad mucho más pequeña que para los rectificadores que funcionan a frecuencia industrial). El rectificador en sí se puede hacer de acuerdo con el circuito de media onda más simple , sin riesgo de aumentar la ondulación del voltaje de salida;
eficiencia significativamente mayor (hasta 90-98%) debido al hecho de que las principales pérdidas en los reguladores de conmutación están asociadas con transitorios en los momentos de conmutación del elemento clave. Dado que la mayor parte del tiempo los elementos clave se encuentran en uno de los estados estables (es decir, encendido o apagado), las pérdidas de energía son mínimas [4] ;
- de esto se sigue directamente que, con la misma circuitería y base de elementos, la eficiencia aumenta con una disminución en la frecuencia de conversión, ya que los procesos transitorios toman una parte proporcionalmente menor del tiempo. Al mismo tiempo, sin embargo, crecen las dimensiones de los elementos de devanado, pero esto también proporciona una ganancia, debido a la disminución de las pérdidas óhmicas.
menor costo debido a la producción en masa de una base de elementos unificados y el desarrollo de transistores clave de alta potencia. Además, cabe destacar el coste significativamente menor de los transformadores de impulsos con una potencia transmitida comparable, y la posibilidad de utilizar elementos de potencia de menor potencia, ya que su modo de funcionamiento es clave;
fiabilidad comparable a los estabilizadores lineales .
Las fuentes de alimentación para equipos informáticos, equipos de oficina y la mayoría de los productos electrónicos de consumo son casi exclusivamente pulsados (los productos electrónicos de consumo "negros", como televisores y reproductores, por regla general, tienen una fuente de alimentación pulsada con aislamiento galvánico completo y un optoacoplador). Los BP lineales sobrevivieron principalmente solo en las siguientes áreas:
- para alimentar tableros de control de baja corriente para electrodomésticos como lavadoras, hornos de microondas y calderas de calefacción y parlantes. Al mismo tiempo, la fuente de alimentación del tablero de control de baja corriente para lavadoras y lavavajillas Electrolux / Zanussi / AEG (estos tres elementos son un ejemplo de cambio de marca, técnicamente los productos son los mismos y tienen unidades de reparación y repuestos intercambiables) del muestra alrededor de 2010 - pulsado, así como la fuente de alimentación de las máquinas Philips Saeco de placa de café de baja corriente. Estas fuentes de alimentación de impulsos no tienen aislamiento galvánico ("cero" y, a veces, incluso la "fase" del cable de 220 V que entra desde el enchufe es la "tierra del circuito" del circuito de baja corriente, la combinación de la "fase" con el La "tierra de baja corriente" se realiza para simplificar los circuitos de control del relé / triac y evitar el suministro de una "fase" no conmutada a los componentes mecánicos del producto, lo que reduce la seguridad eléctrica: solo "cero" y "fase después del relé / triac" se suministran a los componentes mecánicos, cuando el relé / triac está cerrado, es imposible una descarga eléctrica potencialmente mortal) para guardar en el optoacoplador, y ocupan un área en el tablero comparable al tamaño de un encendedor de cigarrillos. Fuente de alimentación para la parte de baja corriente de las calderas de calefacción Buderus Logamax (con placa UBA H3) - lineal clásica, con un gran transformador y aislamiento galvánico completo del lado de 220V con baja corriente a través de 3 optoacopladores (control del motor extractor de humos, control de el motor de la bomba de circulación, y tomando lecturas del electrodo de control de llama de ionización - el circuito asociado con este electrodo está en el lado de 220V, además, ahorrar en detalles y simplificar este circuito en particular conduce a una "dependencia de fase" de la caldera - no NO importa de qué lado esté enchufado su enchufe de 220 V en la toma de corriente, porque el circuito de transistor único más simple del IEKP requiere que se suministre exactamente 220 V al electrodo, y no "cero", en relación con la "tierra amarilla-verde". ").
- para dispositivos de control de baja potencia de alta y ultra alta confiabilidad, diseñados para muchos años de operación continua sin mantenimiento o con mantenimiento difícil, como voltímetros digitales en paneles eléctricos o automatización de procesos de producción,
- para alimentar amplificadores de baja frecuencia (ULF) de alta calidad.
una amplia gama de voltaje y frecuencia de suministro, inalcanzable por un precio comparable lineal. En la práctica, esto significa la posibilidad de usar la misma fuente de alimentación conmutada para dispositivos electrónicos portátiles en diferentes países del mundo: Rusia / EE. UU. / Inglaterra, que son muy diferentes en voltaje y frecuencia en enchufes estándar.
la presencia en la mayoría de las fuentes de alimentación modernas de circuitos de protección incorporados de diversas situaciones imprevistas, por ejemplo, de un cortocircuito y de una falta de carga en la salida.

Desventajas de cambiar las fuentes de alimentación

El funcionamiento de la parte principal del circuito sin aislamiento galvánico de la red, lo que, en particular, dificulta un poco la reparación de dichas fuentes de alimentación.
Sin excepción, todas las fuentes de alimentación conmutadas son fuente de interferencias de alta frecuencia , ya que esto se debe al propio principio de su funcionamiento. Por lo tanto, es necesario tomar medidas adicionales de supresión de interferencias, que a menudo no eliminan completamente las interferencias. En este sentido, el uso de fuentes de alimentación pulsadas para determinados tipos de equipos suele ser inaceptable [3] .
Como regla general, las fuentes de alimentación conmutadas tienen un límite en la potencia de carga mínima. Si la potencia de carga está por debajo del mínimo, la fuente de alimentación no se inicia o los parámetros de voltaje de salida (valor, estabilidad) pueden no estar dentro de las desviaciones permitidas.
En sistemas de potencia distribuida: el efecto de múltiplos de tres armónicos . En presencia de correctores de factor de potencia y filtros efectivos en los circuitos de entrada, esta desventaja no suele ser relevante.

Véase también

Literatura

Veresov GP Fuente de alimentación de equipos radioelectrónicos domésticos . - M. : Radio y comunicación, 1983. - S. 5. - 128 p. — 60.000 copias. Archivado el 27 de julio de 2009 en Wayback Machine .
Kitaev VV et al. Fuente de alimentación de dispositivos de comunicación . - M. : Comunicación, 1975. - 328 p. — 24.000 copias. Archivado el 17 de marzo de 2013 en Wayback Machine .
Bityukov V. K. Simachkov D. S. Fuentes de alimentación secundaria. M. . - Infra-Ingeniería, 2017. - 326 p. - ISBN 978-5-9729-0171-5 .
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Fuentes de energía para dispositivos electrónicos. Circuitos y diseño: libro de texto para escuelas secundarias. - 2. - M. : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 copias. — ISBN 5-93517-052-3 .

Enlaces

Veresov G.P. Fuente de alimentación de equipos radioelectrónicos domésticos - M. Radio y comunicación, 1983
Kitaev V. E., Bokunyaev A. A. Fuente de alimentación de dispositivos de comunicación - M., Svyaz, 1975
FUENTE DE ALIMENTACIÓN: ¿conmutada o lineal? Pros y contras
Gurevich V. I. Fuentes de energía secundarias: anatomía y experiencia de aplicación - "Mercado electrotécnico", 2009, No. 1 (25), p. 50-54

Notas

Comentarios

↑ Sin embargo, en fuentes de alimentación de transformadores potentes, el ruido de impulso se produce debido al hecho de que la corriente que fluye a través de los diodos rectificadores (y el devanado secundario del transformador) tiene la forma de pulsos cortos, porque el diodo no está abierto durante toda la mitad -ciclo, pero por un corto tiempo cerca del máximo de la sinusoide, cuando el voltaje de CA de valor instantáneo en el devanado secundario excede el voltaje de CC en el tanque del filtro).

Fuentes

↑ Fuente de alimentación secundaria // Electrónica de potencia: breve diccionario enciclopédico de términos y definiciones - M.: MPEI Publishing House, 2008
↑ Aquí nos referimos a la inducción promedio en el circuito que rodea la bobina. En un campo magnético uniforme, cuyo vector de inducción es perpendicular al plano de la bobina, solo la magnitud de la inducción.
↑ 1 2 Fuentes de alimentación conmutadas . Consultado el 17 de junio de 2015. Archivado desde el original el 17 de junio de 2015. (indefinido)
↑ Comparación de fuentes de alimentación lineales y conmutadas . Consultado el 17 de junio de 2015. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2015. (indefinido)