Jaký je rozdíl mezi spínaným a klasickým napájecím zdrojem: vlastnosti a rozdíly

Naprostá většina moderní elektroniky pracuje se stejnosměrným proudem a nízkým napětím. Například směrovače odebírají 12 voltů a 5 ampérů a chytré telefony obvykle odebírají 5 voltů a 2 ampéry. Až na to, že v domácí elektrické síti koluje úplně jiný typ proudu – střídavý proud o frekvenci 60 Hz, 220 V a (obvykle) do 6 A.

Aby bylo možné používat elektronické spotřebiče v domácí síti, musí být tento proud nějakým způsobem převeden. K tomu slouží spínané napájecí zdroje. Jejich úkolem je transformovat proud tak, aby poskytoval určité napětí, sílu proudu a frekvenci (přeměna střídavého proudu na stejnosměrný).

Pokud si máte vybrat vhodný napájecí zdroj nebo si ho sami sestavit, nejčastěji se setkáte se dvěma variantami – obyčejnými, transformátorovými a spínanými zdroji. A v čem je rozdíl, kromě složitosti návrhu, není vždy jasné. V tomto článku se tedy podíváme na rozdíly mezi spínanými a klasickými napájecími zdroji a prozkoumáme jejich vlastnosti a rozdíly.

Běžné napájecí zdroje (transformátorový typ)

Transformátorové zdroje – jedno z prvních zařízení, které přeměňovalo elektrickou energii. Jsou analogového typu, vyznačují se konstrukční jednoduchostí a relativně vysokou spolehlivostí. Mají však také značné nevýhody, jako je například nadměrná velikost.

Transformátor je hlavním funkčním prvkem těchto PSU. Skládá se ze dvou indukčních cívek. První z nich odebírá elektřinu z domácí elektrické sítě 220 V a vytváří elektromagnetické pole. Ta zase indukuje a vytváří elektromotorickou sílu na druhé cívce. Tímto způsobem se dosáhne snížení napětí.

Elektrický proud vytvořený na snižovací cívce je pak přiveden do usměrňovače. Obvykle se skládá z několika výkonových diod v můstkovém zapojení. Kondenzátor připojený paralelně k diodovému můstku slouží k vyhlazení pulzujícího napětí, které pak stabilizují výkonové tranzistory.

Výsledkem je stejnosměrný proud o daném napětí a síle na výstupu. Speciální ladicí odpory obsažené ve stabilizačním obvodu slouží k regulaci parametrů jeho činnosti.

Konvenční PSU (transformátorové) se vyznačují maximální konstrukční jednoduchostí. Schéma zapojení základní jednotky se skládá pouze ze tří částí: soustavy cívek, diodového můstku a kondenzátoru.

Hlavní výhody běžných napájecích zdrojů:

1. Snadná montáž a konstrukce. Napájecí zdroj potřebného výkonu si můžete sestavit sami – stačí pochopit princip fungování a přesně vědět, k jakým účelům budete zařízení používat;

2. Vysoká spolehlivost a odolnost. Životnost zařízení je při správném provozu prakticky neomezená. I dnes tak můžete najít funkční modely vyrobené před více než několika desetiletími;

3. Dostupnost komponentů. Všechny potřebné součástky lze získat v radiobazarech, u radioamatérů a ve speciálních obchodech, není třeba objednávat žádné specifické mikroobvody ze zahraničí;

4. Žádné parazitní proudy rádiových vln. Tím se zabrání poruchám v síti nebo u koncového spotřebitele.

Hlavní nevýhody běžných napájecích zdrojů:

1. Nízká účinnost. Při přenosu elektřiny pomocí transformátoru se velká část energie jednoduše ztratí. Kromě toho se kvůli použití stabilizátoru na výstupu pro dosažení stabilních provozních parametrů navíc ztrácí určitá účinnost;

2. Velké. Čím výkonnější je zdroj, tím větší je jeho hmotnost a rozměry. V důsledku toho mohou mít výkonné stroje jen malou pohyblivost;

3. Vytvoření významného elektromagnetického pole. Mohou proto způsobovat rušení v jiných signálových vedeních – např. koaxiálních kabelech nebo kroucené dvojlince.

Všechny tyto nevýhody se ukázaly být natolik kritické, že se dnes běžné zdroje napájení v domácnostech téměř nepoužívají. Místo nich se používají spínané zdroje napájení.

Spínané napájecí zdroje

Spínané napájecí zdroje jsou složitá zařízení invertorového typu. Hlavní rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že vstupní napětí je vedeno přímo do usměrňovače. Poté generuje impulsy o určité frekvenci. O to se stará samostatný řídicí subsystém, takže pulzní zdroje jsou plnohodnotná digitální zařízení.

Vzhledem k tomu, že spínané napájecí zdroje se vyznačují konstrukční a základní složitostí, není vhodné se v rámci tohoto článku zabývat jejich zapojením.

1. Proud ze sítě je přiváděn do síťového filtru, čímž se minimalizuje zkreslení před a za proudem

2. Střídač transformuje střídavý sinusový proud na pulzní stejnosměrný proud;

3. Měnič řízený řídicím modulem generuje z pulzního stejnosměrného proudu obdélníkové vysokofrekvenční signály;

4. Proud je přiváděn do pulzního transformátoru, který dodává napětí různým součástem samotného PSU a také zátěži;

5. Proud je pak přiveden do výstupního usměrňovače a následně vyhlazen výstupním filtrem.

Tento systém zajišťuje nejen vysokou účinnost, ale také malé rozměry zařízení. Navíc čím vyšší je frekvence pulzů, tím kompaktnější je napájecí zdroj, čímž se zmenšuje velikost transformátoru.

Hlavní výhody spínaných napájecích zdrojů:

1. Vysoká účinnost přibližně 98 %, obvykle. Malé ztráty způsobené přechodovým spínáním. Jsou však příliš malé na to, aby mohly být zohledněny;

2. Kompaktní rozměry a nízká hmotnost. Je to proto, že spínané napájecí zdroje nevyžadují masivní transformátor.

Hlavní nevýhody spínaných napájecích zdrojů:

1. Strukturální složitost. Sestavit takové zařízení doma bez znalostí elektroniky nebo elektrotechniky je prakticky nemožné;

2. Výrazné zahřívání během provozu. Proto jsou výkonné spínané zdroje vybaveny přídavnými chladicími systémy, které zvyšují velikost a hmotnost zařízení;

3. Přítomnost vysokofrekvenčního rušení. Pro použití v citlivých zařízeních jsou proto tyto zdroje vybaveny šumovým filtrem, ale ani ten nezajišťuje 100% ochranu proti těmto „nevyžádaným signálům“;

4. Jmenovitý výkon zátěže musí být v rozsahu jmenovitých hodnot. Pokud se zvýší nebo sníží, dojde ke změnám výstupního napětí. Výrobci zpravidla tento jev předvídají a instalují ochranu proti takovým abnormálním situacím.

Kompaktní rozměry a vysoká účinnost způsobily, že se spínané napájecí zdroje velmi rozšířily. Ty se dnes používají v nabíječkách mobilních telefonů, nabíječkách baterií počítačů a domácích spotřebičů a v elektronických předřadnících pro svítidla.

Srovnání spínaných a konvenčních napájecích zdrojů

Porovnejme tyto dva typy zařízení, abychom zjistili, které je lepší použít v té či oné situaci.

Za stejných podmínek jsou vhodnější spínané napájecí zdroje. Nabízejí vyšší účinnost a váží jen několik desítek gramů. Pro některé přesné aplikace jsou však vhodnější konvenční (transformátorové) modely, protože nezatěžují výstupní signál rušením.