ความแตกต่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ตามหลักการแปลง แหล่งจ่ายไฟสามารถแบ่งได้เป็นแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เมื่อเราจำแนกแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เราต้องชี้แจงให้ชัดเจนว่าเป็น AC/DC หรือ DC/DC แม้ว่าการจำแนกประเภทนี้จะมีจุดมุ่งหมายเพื่อแยกแยะหลักการของการเปลี่ยนแปลงก็ตาม แต่เป็นแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่มีฟังก์ชั่น AC/DC ซึ่งเป็นกระบวนการที่สมบูรณ์ในการแปลง AC เป็น DC และวงจรบางส่วนประกอบด้วย DC/DC
แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟสลับสำหรับ AC/DC
มีหนังสือเรียน หนังสือ และบทความมากมายที่อ้างถึงแหล่งพลังงานเชิงเส้นโดยตรงว่า "แหล่งพลังงานเชิงเส้นสำหรับ AC/DC" แหล่งพลังงานเชิงเส้นคืออะไร? ขั้นแรกแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะลดแอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าของไฟ AC ผ่านหม้อแปลง จากนั้นจึงแก้ไขผ่านวงจรเรียงกระแสเพื่อรับพลังงาน DC แบบพัลซ์ จากนั้นจึงกรองเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า DC ที่มีแรงดันกระเพื่อมเล็กน้อย
ลักษณะของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น AC/DC และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแตกต่างกันดังนี้:
ขั้นแรกแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นของ AC/DC จะลดลงด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับโดยใช้หม้อแปลงความถี่ไฟฟ้า จากนั้นจึงทำการแก้ไข หลังจากการลดแรงดันไฟฟ้าผ่านหม้อแปลงไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าจะค่อนข้างต่ำ และชิปกำลัง เช่น ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสามขั้ว สามารถใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าได้ ท่อปรับของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นทำงานในสถานะขยาย ส่งผลให้เกิดความร้อนสูงและประสิทธิภาพต่ำ (เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าตก) ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มแผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ ปริมาตรของหม้อแปลงความถี่กำลังก็ค่อนข้างใหญ่ และเมื่อผลิตเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าหลายชุด ปริมาตรของหม้อแปลงก็จะใหญ่ขึ้น
ท่อปรับของแหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ทำงานในสภาวะอิ่มตัวและสถานะตัด ส่งผลให้เกิดความร้อนต่ำและมีประสิทธิภาพสูง แหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ช่วยลดความจำเป็นในการใช้หม้อแปลงความถี่กำลังขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม เอาต์พุต DC ของแหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC จะมีคลื่นที่ใหญ่กว่า ซึ่งอาจปรับปรุงได้โดยการเชื่อมต่อไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ปลายเอาต์พุต นอกจากนี้ เนื่องจากการรบกวนของพัลส์สูงสุดที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของท่อสวิตช์ จึงต้องเชื่อมต่อเม็ดแม่เหล็กแบบอนุกรมในวงจรเพื่อปรับปรุง ในทางกลับกัน การกระเพื่อมของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นสามารถทำให้มีขนาดเล็กมากได้ การเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟสามารถทำได้ผ่านโครงสร้างโทโพโลยีที่แตกต่างกัน เช่น การลดแรงดันไฟฟ้า การเพิ่ม และการเพิ่ม ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นสามารถทำได้เพียงการลดแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น
อะแดปเตอร์แปลงไฟในยุคแรกๆ จำนวนมากมีน้ำหนักค่อนข้างมาก และหลักการแปลงคือแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น AC/DC ซึ่งใช้หม้อแปลงความถี่กำลังภายใน ขั้นแรกแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น AC/DC จะใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ หม้อแปลงชนิดนี้ซึ่งลดแรงดันไฟฟ้าในสายหลักโดยตรง เรียกว่าหม้อแปลงความถี่กำลัง ดังแสดงในรูปที่ 1.9 หม้อแปลงความถี่กำลังหรือที่เรียกว่าหม้อแปลงความถี่ต่ำ แยกความแตกต่างจากหม้อแปลงความถี่สูงที่ใช้ในการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง หม้อแปลงความถี่กำลังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิมในอดีต ความถี่มาตรฐานของแหล่งจ่ายไฟหลักในอุตสาหกรรมพลังงานหรือที่เรียกว่าแหล่งจ่ายไฟหลัก ("แหล่งจ่ายไฟหลัก" หมายถึงแหล่งจ่ายไฟที่ผู้อยู่อาศัยในเมืองใช้เป็นหลัก) คือ 50Hz ในจีนและ 60Hz ในประเทศอื่นๆ หม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ความถี่นี้ได้เรียกว่าหม้อแปลงความถี่กำลัง โดยทั่วไปหม้อแปลงความถี่กำลังจะมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงความถี่สูง ดังนั้นปริมาณของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น AC/DC ที่ใช้กับหม้อแปลงความถี่กำลังจึงค่อนข้างมาก
แหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC จำเป็นต้องแก้ไขและกรองแหล่งจ่ายไฟ AC เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงโดยประมาณ จากนั้นจึงควบคุมสวิตช์เพื่อสร้างพัลส์ความถี่สูง ซึ่งถูกแปลงผ่านหม้อแปลงไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC มีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีขนาดเล็กลง เหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้มีขนาดเล็กคือหม้อแปลงความถี่สูงมีขนาดเล็กกว่าหม้อแปลงความถี่กำลังมาก เพราะเหตุใดความถี่ยิ่งสูง ปริมาณหม้อแปลงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น
วัสดุแกนหม้อแปลงมีขีดจำกัดความอิ่มตัว ดังนั้นจึงมีขีดจำกัดความแรงของสนามแม่เหล็กสูงสุด กระแส ความแรงของสนามแม่เหล็ก และฟลักซ์แม่เหล็กของกระแสสลับล้วนเป็นสัญญาณไซน์ซอยด์ เรารู้ว่าสำหรับสัญญาณไซน์ที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน ยิ่งความถี่สูง จุดสูงสุดของ "อัตราการเปลี่ยนแปลง" ของสัญญาณก็จะยิ่งมากขึ้น (ช่วงเวลาที่สัญญาณไซน์ข้ามศูนย์คือจุดสูงสุดของ "อัตราการเปลี่ยนแปลง" ในขณะที่อัตรา ของการเปลี่ยนแปลงที่จุดสูงสุดของสัญญาณคือ 0) ในขณะเดียวกันแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก ดังนั้น สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่อเทิร์นที่เท่ากัน ยิ่งความถี่สูง ฟลักซ์แม่เหล็กยอดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น แต่ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ค่าจุดสูงสุดของความเข้มของสนามแม่เหล็กนั้นมีจำกัด ดังนั้น หากความต้องการฟลักซ์แม่เหล็กลดลง พื้นที่หน้าตัดของแกนเหล็กก็สามารถลดลงได้ การวิเคราะห์ข้างต้นถือว่าแรงดันไฟฟ้าเท่ากันต่อเทิร์น และแรงดันไฟฟ้าต่อเทิร์นสัมพันธ์กับกำลัง จึงถือว่ามีอำนาจเท่ากัน หากกำลังน้อยกว่ากระแสก็จะน้อยลงด้วยและลวดที่อนุญาตจะบางลงและความต้านทานจะสูงขึ้นเล็กน้อยก็อนุญาตให้เพิ่มจำนวนรอบได้ ด้วยวิธีนี้ แรงดันไฟฟ้าต่อรอบจะลดลงด้วย ซึ่งสามารถลดความต้องการฟลักซ์แม่เหล็กได้ด้วย จากนั้นจึงลดระดับเสียงลง นอกจากนี้ การวิเคราะห์ข้างต้นยังถือว่าวัสดุมีค่าคงที่ นั่นคือความแรงของสนามแม่เหล็กอิ่มตัวจะคงที่ แน่นอนว่า หากใช้วัสดุที่มีความแรงของสนามแม่เหล็กที่มีความอิ่มตัวสูงกว่า ปริมาตรก็จะลดลงได้เช่นกัน เรารู้ว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงขนาดเดียวกันเมื่อหลายสิบปีก่อน หม้อแปลงไฟฟ้าในปัจจุบันมีปริมาตรน้อยกว่ามาก เนื่องจากปัจจุบันใช้วัสดุแกนเหล็กชนิดใหม่
ตามสมการของแมกซ์เวลล์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ E ในขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าคือ
นั่นคืออินทิกรัลของอัตราการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B เมื่อเวลาผ่านไปบนการหมุนลวด N ด้วยพื้นที่ Ac
สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ E ที่ด้านปฐมภูมิของหม้อแปลงและแรงดันไฟฟ้า U ที่ใช้กับด้านอินพุตถือได้ว่าเป็นความสัมพันธ์เชิงเส้น บนสมมติฐานที่ว่าแอมพลิจูดของ U ที่ด้านอินพุตของหม้อแปลงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ก็ถือได้ว่าแอมพลิจูดของ E ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเช่นกัน
นอกจากนี้ยังมีขีดจำกัดบนสำหรับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B ของแกนแม่เหล็กแต่ละประเภท เฟอร์ไรต์ที่ใช้สำหรับการใช้งานความถี่สูงมีค่าประมาณสองสามในสิบของเทสลา ในขณะที่แกนเหล็กที่ใช้สำหรับการใช้งานความถี่สูงนั้นมากกว่าระดับหนึ่งเล็กน้อยโดยประมาณ โดยมีความแตกต่างเล็กน้อย
ดังนั้น เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น อัตราการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก dB/dt ในระหว่างแต่ละรอบจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีเงื่อนไขว่าการเปลี่ยนแปลงจุดสูงสุดในความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B ไม่มีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงสามารถใช้ Ac หรือ N ที่น้อยลงเพื่อให้ได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเดียวกัน E การลดลงของ Ac หมายถึงการลดลงของพื้นที่หน้าตัดของแกนแม่เหล็ก การลดลงของ N หมายความว่าพื้นที่ของหน้าต่างว่างของแกนแม่เหล็กสามารถลดลงได้ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถช่วยให้แกนแม่เหล็กมีปริมาตรน้อยลง พื้นที่หน้าตัดของหม้อแปลงความถี่สูงมีขนาดเล็กลง และจำนวนรอบในขดลวดลดลง ส่งผลให้มีปริมาตรน้อยลง
ท่อปรับของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำงานในสภาวะอิ่มตัวและสถานะตัด ส่งผลให้เกิดความร้อนต่ำและมีประสิทธิภาพสูง แหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงความถี่กำลังขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม เอาต์พุต DC ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะมีระลอกคลื่นขนาดใหญ่ซ้อนทับอยู่ นอกจากนี้เนื่องจากการรบกวนพัลส์สูงสุดขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งจึงจำเป็นต้องกรองแหล่งจ่ายไฟในวงจรเพื่อปรับปรุงคุณภาพของแหล่งจ่ายไฟ แหล่งพลังงานเชิงเส้นไม่มีข้อบกพร่องข้างต้น และระลอกคลื่นอาจมีขนาดเล็กมาก
