Hoe werkt een echte programmeerbare DC-voeding?

Overzicht van de werkmethoden van de voeding

 

De gelijkrichtercircuitmodule zet de wisselspanning van de transformator om in een unipolaire wisselspanning. Vervolgens zet de filtermodule de unipolaire wisselspanning om in een imperfecte gelijkspanning met rimpeleffecten.

De spanningsregelaar past de uitgangsspanning aan naar het gewenste niveau en voert verdere filtering uit om een ​​constante DC-spanning te verkrijgen.

 

Deze circuitmodules bevatten veel componenten, waarvan er geen enkele ideaal is. Condensatoren en inductoren hebben parasitaire weerstand, parasitaire capaciteit (in inductoren) en parasitaire inductie (in condensatoren). Transistoren en diodes hebben IV-karakteristieken die variëren met de temperatuur. Alle componenten hebben bepaalde toleranties op hun parameterwaarden, verbruiken stroom, hebben vermogensbeperkingen en genereren ruis. Deze niet-ideale karakteristieken voorkomen dat de voeding een absoluut constante DC-uitgangsbron wordt.

 

Afwijking van de ideale output

 

De output die door een DC-voeding wordt geleverd, is niet altijd een door de gebruiker geprogrammeerde output. Fabrikanten definiëren de precisie van specifieke DC-outputs op basis van componenttoleranties: outputprecisie of displayprecisie. Wanneer de omgevingstemperatuur het kalibratietemperatuurbereik van de voeding overschrijdt, kan de fabrikant ook een temperatuurcoëfficiënt specificeren om toe te voegen aan de outputtolerantie. Een andere reden waarom de DC-output onder de geprogrammeerde waarde zakt, is dat bij gebruik van hoge stroombelastingen de interne weerstand van componenten in de voeding wordt blootgesteld aan een hogere spanning. De fabrikant specificeert dit effect als belastingsregulering, uitgedrukt als een percentagefout ten opzichte van de volledige spanning. Om de outputnauwkeurigheid van een DC-voeding volledig te bepalen, moet de belastingsaanpassingsfout worden toegevoegd aan de outputnauwkeurigheid.

 

De DC-uitgang van een DC-voeding kan ook ruis bevatten. Vanwege de beweging en botsing van elektronen in metalen structuren, bestaat er inherente ruis in alle elektronische componenten. Dit type ruis wordt Johnson-ruis genoemd. Vanwege de omstandigheden op de AC-lijn, elektromagnetische interferentie (EMI) in de omgeving en zwerfstromen op de aarddraad, kan er ook ruis optreden in de vermogensuitvoer. Net als bij andere elektronische instrumenten vereist het minimaliseren van ruis in een voeding gedetailleerde ontwerptechnieken. Maar zelfs met het beste ontwerp zal er ruis zijn aan de uitgangszijde van de DC-voeding.

 

Structuur van de vermogenstopologie

 

Er zijn twee soorten vermogenstopologieën. Het ontwerp van de voeding kan lineaire topologie of switch mode topologie gebruiken. Het verschil in hun ontwerp zit in de gelijkrichtermodule en de spanningsregulatiemodule.

 

(1) Lineaire topologiestructuur

Bij lineair ontwerp stroomt er een constante stroom door het circuit. De voordelen van dit ontwerp zijn lage ruis en lage complexiteit, maar de efficiëntie is niet erg hoog. De efficiëntie van lineaire voeding is minder dan 50%.

 

(2) Schakeltopologiestructuur

Aan de andere kant kunnen schakelende voedingen een efficiëntie van 90% bereiken, maar hun complexiteit en uitgangsruis zijn veel hoger. De reden voor hoge ruis is te wijten aan actieve componenten, namelijk transistoren, die worden gebruikt als schakelaars om de voeding in en uit te schakelen op een frequentie van kHz. Het voordeel van schakelende voedingen is dat ze kleiner en lichter zijn dan lineaire voedingen met dezelfde capaciteit. De schakelende voeding kan worden gebruikt met een lichter gewicht en kleinere transformatoren. Bovendien geldt: hoe hoger de schakelfrequentie, hoe kleiner alle inductieve componenten.

 

Hoewel beide topologieën geschikt zijn voor voedingen tot enkele honderden watt, worden schakelende voedingen voornamelijk gebruikt voor het ontwerpen van voedingen met een vermogen van meer dan 500 W of zelfs kilowatt. Voor voedingen op kilowattniveau kunnen transformatoren ook erg groot en zwaar zijn.