Het werkingsprincipe van schakelende voeding

Het belangrijkste voordeel van schakelende voedingen ten opzichte van lineaire (niet-schakelende) is dat de stroomconversie met hoge efficiëntie en in een kleine vormfactor kan worden uitgevoerd. Dit komt doordat de vermogensdissipatie in de schakeltransistor minimaal is. Dit maakt op zijn beurt een hogere stroomuitvoer mogelijk bij lagere spanningen dan lineaire regelaars.

Naast de hogere energie-efficiëntie zijn schakelende voedingen beter bestand tegen ingangsvariaties dan hun lineaire tegenhangers. Dit komt omdat ze de mogelijkheid hebben om de uitgangsspanning te verhogen of te verlagen om de uitgangsstroom te regelen om aan de belastingsvereisten te voldoen.

Deze benodigdheden worden gebruikt voor huishoudelijke apparaten, zoals computers en televisies, maar zijn ook te vinden in industriële omgevingen. In industriële omgevingen worden ze gebruikt voor bulkstroomdistributie bij een lage gelijkspanning en individuele apparatuuritems kunnen beschikken over schakelomvormers om tussen verschillende spanningen om te zetten.

Het proces van het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom begint met een AC-ingangssignaal, dat wordt gelijkgericht en gefilterd. Dit wordt doorgegeven aan een centraal schakelgedeelte van de voeding, dat op zijn beurt de output aan een stuurcircuit geeft. Het stuurcircuit geeft vervolgens de gewenste spanning aan de uitgang.

Deze spanning wordt vervolgens door het schakelelement geregeld met behulp van pulsbreedtemodulatie (PWM). Het PWM-proces produceert enige hoogfrequente ruis, maar zorgt ervoor dat schakelende voedingen zeer efficiënt en klein van formaat kunnen zijn.

Een ander belangrijk voordeel van schakelende voedingen is dat ze zo kunnen worden ontworpen dat ze voldoen aan de regelgeving op het gebied van harmonischen. Dit komt omdat ze een extra circuit kunnen gebruiken om deze ongewenste harmonischen eruit te filteren.

Een bekend voorbeeld is de buck-boost-converter. Het is een eenvoudig type niet-geïsoleerde converter die één inductor en één actieve schakelaar gebruikt.

Deze kan omhoog of omlaag worden gezet om de vereiste uitgangsspanning te produceren door de werkcyclus van de schakeltransistoren te variëren. Dit type omzetter kan gemakkelijker worden geïntegreerd dan een transformator, omdat er slechts één inductor nodig is, en hij kan spanningen naar een veel hogere mate van efficiëntie verlagen dan een transformator.

Deze omzetters kunnen verder worden geoptimaliseerd om hun efficiëntie te vergroten door de aan-weerstand van de schakeltransistoren te verminderen en een actief vermogensfactorcorrectiecircuit te gebruiken. De meest geavanceerde schakelende voedingen kunnen efficiëntieniveaus tot 96% hebben.

Bovendien kunnen schakelende voedingen worden ontworpen om temperatuurschommelingen beter aan te kunnen dan hun lineaire tegenhangers. Dit komt omdat het skin-effect (de hoeveelheid weerstand veroorzaakt door veranderingen in het oppervlak van de geleider) bij lage frequenties kan worden genegeerd, maar bij hoge frequenties een groot energieverlies kan veroorzaken.

Dit betekent dat voedingen met een goed ontwerp in staat zullen zijn de spanning te regelen zonder bij welke belasting dan ook significante vervorming te veroorzaken. Ze zijn ook voorzien van veiligheidscircuits om ervoor te zorgen dat de uitgangsspanning niet wordt beïnvloed door overbelasting of andere omgevingsfactoren.