Perbedaan antara catu daya linier dan catu daya switching
Menurut prinsip konversi, catu daya dapat diklasifikasikan menjadi catu daya linier dan catu daya switching. Saat kita mengklasifikasikan catu daya linier dan catu daya switching, sebenarnya kita perlu memperjelas apakah itu AC/DC atau DC/DC. Meskipun klasifikasi ini bertujuan untuk membedakan prinsip-prinsip transformasi. Tetapi apakah catu daya linier dan catu daya switching yang mencapai fungsi AC/DC merupakan proses lengkap untuk mengubah AC menjadi DC, dan beberapa rangkaian terdiri dari DC/DC.
Catu daya linier dan catu daya switching untuk AC/DC
Ada banyak buku teks, buku, dan artikel yang secara langsung menyebut sumber daya linier sebagai "sumber daya linier untuk AC/DC". Apa yang dimaksud dengan sumber listrik linier? Catu daya linier pertama-tama mengurangi amplitudo tegangan daya AC melalui transformator, kemudian menyearahkannya melalui rangkaian penyearah untuk mendapatkan daya DC berdenyut, dan kemudian menyaringnya untuk mendapatkan tegangan DC dengan tegangan riak kecil.
Karakteristik catu daya linier AC/DC dan catu daya switching berbeda sebagai berikut:
Catu daya linier AC/DC pertama-tama dikurangi dengan tegangan AC menggunakan transformator frekuensi daya, dan kemudian disearahkan. Setelah pengurangan tegangan melalui transformator, tegangan menjadi relatif rendah, dan chip daya seperti pengatur tegangan tiga terminal dapat digunakan untuk stabilisasi tegangan. Tabung penyesuaian catu daya linier beroperasi dalam keadaan diperkuat, menghasilkan pembangkitan panas yang tinggi dan efisiensi yang rendah (terkait dengan penurunan tegangan), sehingga memerlukan penambahan heat sink yang besar. Volume trafo frekuensi daya juga relatif besar, dan ketika menghasilkan beberapa rangkaian keluaran tegangan, volume trafo akan lebih besar.
Tabung penyesuaian catu daya switching AC/DC beroperasi dalam kondisi jenuh dan terputus, sehingga menghasilkan panas yang rendah dan efisiensi tinggi. Catu daya switching AC/DC menghilangkan kebutuhan akan transformator frekuensi daya yang besar. Namun, keluaran DC dari catu daya peralihan AC/DC akan memiliki riak yang lebih besar, yang dapat diperbaiki dengan menghubungkan dioda pengatur tegangan pada ujung keluaran. Selain itu, karena interferensi pulsa puncak tinggi yang dihasilkan selama pengoperasian tabung sakelar, manik-manik magnetik perlu dihubungkan secara seri di sirkuit untuk meningkatkannya. Secara relatif, riak catu daya linier dapat dibuat sangat kecil. Peralihan catu daya dapat dicapai melalui struktur topologi yang berbeda, seperti pengurangan tegangan, peningkatan, dan peningkatan, sedangkan catu daya linier hanya dapat mencapai pengurangan tegangan.
Banyak adaptor daya awal yang relatif berat, dan prinsip konversinya adalah catu daya linier AC/DC, yang menggunakan transformator frekuensi daya secara internal. Catu daya linier AC/DC pertama-tama menggunakan trafo untuk menurunkan tegangan AC. Trafo jenis ini yang secara langsung menurunkan tegangan listrik disebut trafo frekuensi daya, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.9. Transformator frekuensi daya, juga dikenal sebagai transformator frekuensi rendah, membedakannya dari transformator frekuensi tinggi yang digunakan dalam mengalihkan catu daya. Transformator frekuensi daya banyak digunakan pada sumber daya tradisional di masa lalu. Frekuensi standar daya listrik dalam industri tenaga listrik, juga dikenal sebagai daya listrik ("daya listrik" mengacu pada catu daya yang terutama digunakan oleh penduduk di perkotaan), adalah 50Hz di Tiongkok dan 60Hz di negara lain. Trafo yang dapat mengubah tegangan arus bolak-balik pada frekuensi tertentu disebut trafo frekuensi daya. Transformator frekuensi daya umumnya berukuran lebih besar dibandingkan dengan transformator frekuensi tinggi. Oleh karena itu, volume catu daya linier AC/DC yang diterapkan dengan transformator frekuensi daya relatif besar.
Catu daya switching AC/DC pertama-tama memerlukan penyearahan dan penyaringan catu daya AC untuk membentuk perkiraan tegangan tinggi DC, dan kemudian mengontrol sakelar untuk menghasilkan pulsa frekuensi tinggi, yang diubah melalui transformator. Catu daya switching AC/DC memiliki efisiensi lebih tinggi dan ukuran lebih kecil. Salah satu alasan penting mengapa ukurannya kecil adalah trafo frekuensi tinggi jauh lebih kecil daripada trafo frekuensi daya. Mengapa semakin tinggi frekuensi maka volume trafo semakin kecil?
Bahan inti transformator mempunyai batas saturasi, sehingga ada batas kekuatan puncak medan magnetnya. Arus, kuat medan magnet, dan fluks magnet arus bolak-balik semuanya merupakan sinyal sinusoidal. Kita tahu bahwa untuk sinyal sinus dengan amplitudo yang sama, semakin tinggi frekuensinya, semakin besar puncak “laju perubahan” sinyal (saat sinyal sinus melintasi nol adalah puncak “laju perubahan”, sedangkan laju perubahan pada puncak sinyal adalah 0). Sedangkan tegangan induksi ditentukan oleh laju perubahan fluks magnet. Jadi, untuk tegangan per lilitan yang sama, semakin tinggi frekuensinya, semakin kecil puncak fluks magnet yang dibutuhkan. Namun seperti disebutkan di atas, nilai puncak intensitas medan magnet terbatas. Oleh karena itu, jika kebutuhan fluks magnet dikurangi maka luas penampang inti besi dapat dikurangi. Analisis di atas mengasumsikan tegangan yang sama per putaran. Dan tegangan per putaran berhubungan dengan daya. Oleh karena itu, dengan asumsi kekuatan yang sama. Jika dayanya lebih kecil, arusnya juga lebih kecil, dan kabel yang diizinkan lebih tipis, dan resistansinya sedikit lebih tinggi, maka jumlah lilitannya boleh ditambah. Dengan cara ini, tegangan per putaran juga berkurang, yang juga dapat mengurangi kebutuhan fluks magnet. Kemudian kecilkan volumenya. Selain itu, analisis di atas mengasumsikan bahwa material adalah konstan, yaitu kekuatan medan magnet saturasi adalah konstan. Tentu saja, jika digunakan bahan dengan kekuatan medan magnet saturasi lebih tinggi, volumenya juga dapat dikurangi. Kita tahu, dibandingkan dengan trafo berukuran sama beberapa dekade lalu, trafo saat ini memiliki volume yang jauh lebih kecil karena kini menggunakan bahan inti besi baru.
Menurut persamaan Maxwell, gaya gerak listrik induksi E pada kumparan transformator adalah
Artinya, integral dari laju perubahan kerapatan fluks magnet B terhadap waktu pada N lilitan kawat dengan luas Ac.
Untuk transformator, gaya gerak listrik induksi E pada sisi primer transformator dan tegangan U yang diterapkan pada sisi masukan dapat dianggap sebagai hubungan linier. Dengan asumsi bahwa amplitudo U pada sisi masukan transformator tetap tidak berubah, maka dapat dianggap bahwa amplitudo E juga tetap tidak berubah.
Selain itu, terdapat batas atas kerapatan fluks magnet B setiap jenis inti magnet. Ferit yang digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi berukuran sekitar sepersepuluh Tesla, sedangkan inti besi yang digunakan untuk aplikasi frekuensi daya berada pada level yang sedikit lebih besar dari satu, dengan perbedaan yang kecil.
Oleh karena itu, ketika frekuensi meningkat, laju perubahan kerapatan fluks magnet dB/dt selama setiap siklus meningkat secara signifikan, asalkan perubahan puncak kerapatan fluks magnet B tidak signifikan. Oleh karena itu, Ac atau N yang lebih kecil dapat digunakan untuk mencapai gaya gerak listrik induksi yang sama, E. Penurunan Ac berarti penurunan luas penampang inti magnet; Penurunan N berarti luas jendela kosong inti magnet dapat dikurangi, yang keduanya dapat membantu mencapai volume inti magnet yang lebih kecil. Luas penampang transformator frekuensi tinggi lebih kecil, dan jumlah lilitan kumparan berkurang, sehingga volumenya lebih kecil.
Tabung penyesuaian catu daya switching beroperasi dalam keadaan jenuh dan terputus, menghasilkan panas yang rendah dan efisiensi tinggi. Catu daya switching AC/DC tidak memerlukan penggunaan transformator frekuensi daya besar. Namun, keluaran DC dari catu daya switching akan memiliki riak besar yang ditumpangkan padanya. Selain itu, karena besarnya gangguan pulsa puncak yang dihasilkan selama pengoperasian transistor switching, maka perlu juga dilakukan penyaringan catu daya pada rangkaian untuk meningkatkan kualitas catu daya. Secara relatif, sumber daya linier tidak memiliki cacat di atas, dan riaknya bisa sangat kecil.
