Hoe Switch Mode Power Supply (SMPS) -circuits werken

SMPS is de afkorting van het woord Switch Mode Power Supply. De naam suggereert duidelijk dat het concept iets of geheel te maken heeft met pulsen of het schakelen van de gebruikte apparaten. Laten we eens kijken hoe SMPS-adapters werken voor het omzetten van netspanning naar een lagere gelijkspanning.

Voordeel van SMPS-topologie

Bij SMPS-adapters is het de bedoeling om de netspanning in de primaire wikkeling van een transformator te schakelen, zodat bij de secundaire wikkeling van de transformator een lagere gelijkspanning kan worden verkregen.

De vraag is echter dat hetzelfde kan worden gedaan met een gewone transformator, dus wat is de behoefte aan zo'n gecompliceerde configuratie als de werking eenvoudig kan worden geïmplementeerd via gewone transformatoren?

Welnu, het concept is precies ontwikkeld om het gebruik van zware en omvangrijke transformatoren met veel efficiënte versies van te elimineren SMPS-voedingscircuits ​

Hoewel het werkingsprincipe vrij gelijkaardig is, zijn de resultaten enorm verschillend.

Onze netspanning is ook een pulserende spanning of een wisselstroom die normaal gesproken in de gewone transformator wordt gevoerd voor de vereiste omzettingen, maar we kunnen de transformator niet kleiner maken, zelfs niet met een stroom van slechts 500 mA.

De reden hierachter is de zeer lage frequentie die betrokken is bij onze wisselstroomingangen.
Bij 50 Hz of 60 Hz is de waarde enorm laag om ze te implementeren in hoge DC-stroomuitgangen met behulp van kleinere transformatoren.

Dit komt omdat naarmate de frequentie afneemt, de wervelstroomverliezen met de transformatormagnetisatie toenemen, wat resulteert in een enorm stroomverlies door warmte en vervolgens wordt het hele proces erg inefficiënt.

Om het bovengenoemde verlies te compenseren, zijn relatief grotere transformatorkernen betrokken met een relevante mate van draaddikte, waardoor de hele eenheid zwaar en omslachtig is.

Een schakelende voedingscircuit pakt dit probleem heel slim aan.

Als een lagere frequentie de wervelstroomverliezen verhoogt, betekent een verhoging van de frequentie precies het tegenovergestelde.

Dit betekent dat als de frequentie wordt verhoogd, de transformator veel kleiner kan worden gemaakt, maar toch een hogere stroom zou leveren aan hun uitgangen.

Dat is precies wat we doen met een SMPS-circuit ​Laten we de werking begrijpen met de volgende punten:

Hoe SMPS-adapters werken

In een schakelschema van een geschakelde voeding wordt de AC-ingang eerst gelijkgericht en gefilterd om een ​​relevante grootte van DC te produceren.

De bovenstaande gelijkstroom wordt toegepast op een oscillatorconfiguratie die een hoogspanningstransistor of een mosfet omvat, gemonteerd op een goed gedimensioneerde kleine primaire wikkeling van een ferriettransformator.

Het circuit wordt een zelfoscillerende configuratie die begint te oscilleren op een vooraf bepaalde frequentie die is ingesteld door andere passieve componenten zoals condensatoren en weerstanden.

De frequentie is meestal hoger dan 50 Khz.

Deze frequentie wekt een gelijkwaardige spanning en stroom op bij de secundaire wikkeling van de transformator, bepaald door het aantal windingen en de SWG van de draad.

Door de betrokkenheid van hoge frequenties worden wervelstroomverliezen verwaarloosbaar klein en wordt een hoge gelijkstroomuitgang afgeleid door kleinere transformatoren met ferrietkern en relatief dunnere draadwikkeling.

De secundaire spanning zal echter ook op de primaire frequentie zijn, daarom wordt deze opnieuw gelijkgericht en gefilterd met behulp van een diode met snel herstel en een condensator met een hoge waarde.

Het resultaat aan de uitgang is een perfect gefilterde lage DC, die effectief kan worden gebruikt voor het bedienen van elk elektronisch circuit.

In moderne versies van SMPS worden hi-end IC's gebruikt in plaats van transistors aan de ingang.
De IC's zijn uitgerust met een ingebouwde hoogspannings-mosfet voor het ondersteunen van hoogfrequente oscillaties en vele andere beveiligingsfuncties.

Welke ingebouwde beveiligingen hebben SMPS

Deze IC's hebben voldoende ingebouwde beveiligingscircuits zoals lawinebescherming, overhittebescherming en output overspanningsbeveiliging en ook een burst-modus.

Lawinebescherming zorgt ervoor dat het IC niet beschadigd raakt tijdens het inschakelen van de stroom in de haast.

De oververhittingsbeveiliging zorgt ervoor dat de IC automatisch wordt uitgeschakeld als de transformator niet correct is opgewonden en meer stroom uit de IC trekt waardoor deze gevaarlijk heet wordt.

De burst-modus is een interessante functie die bij de moderne SMPS-eenheden wordt geleverd.

Hier wordt de output-DC teruggevoerd naar een detectie-ingang van de IC. Als om een ​​of andere reden, normaal gesproken als gevolg van een verkeerde secundaire wikkeling of selectie van weerstanden, de uitgangsspanning boven een bepaalde vooraf bepaalde waarde stijgt, schakelt de IC de ingangsschakeling uit en slaat hij het schakelen over in onderbroken bursts.

Dit helpt om de spanning aan de uitgang en ook de stroom aan de uitgang te regelen.

De functie zorgt er ook voor dat als de uitgangsspanning wordt afgesteld op een hoog punt en de uitgang niet wordt geladen, de IC overschakelt naar de burst-modus en ervoor zorgt dat de eenheid met tussenpozen wordt bediend totdat de uitgang voldoende wordt belast, dit bespaart stroom van de eenheid. wanneer in standby-omstandigheden of wanneer de uitgang niet werkt.

De terugkoppeling van het outputgedeelte naar het IC wordt geïmplementeerd via een opto-coupler, zodat de output goed op afstand blijft van de hoogspanningsnet-AC, waardoor gevaarlijke schokken worden vermeden.