ההבדל בין ספק כוח ליניארי לספק כוח מיתוג
על פי עקרון ההמרה, ניתן לסווג ספקי כוח לספקי כוח ליניאריים ולספקי כוח מיתוג. כאשר אנו מסווגים ספקי כוח ליניאריים ומחליפים ספקי כוח, אנו למעשה צריכים להבהיר אם זה AC/DC או DC/DC. למרות שסיווג זה נועד להבחין בין עקרונות הטרנספורמציה. אבל האם ספקי כוח ליניאריים וספקי כוח מיתוג המשיגים פונקציות AC/DC הם תהליך שלם של המרת AC לDC, וחלק מהמעגלים מורכבים מ DC/DC.
ספק כוח ליניארי ואספקת חשמל מיתוג עבור AC/DC
ישנם ספרי לימוד, ספרים ומאמרים רבים המתייחסים ישירות למקורות כוח ליניאריים כ"מקורות מתח ליניאריים עבור AC/DC". מהו מקור כוח ליניארי? ספק כוח ליניארי מפחית תחילה את משרעת המתח של מתח AC דרך שנאי, לאחר מכן מתקן אותו דרך מעגל מיישר כדי להשיג כוח DC פועם, ולאחר מכן מסנן אותו כדי לקבל מתח DC עם מתח אדווה קטן.
המאפיינים של ספק כוח ליניארי AC/DC ושל ספק כוח מיתוג שונים כדלקמן:
אספקת הכוח הליניארית של AC/DC מופחתת תחילה על ידי מתח AC באמצעות שנאי תדר חשמל, ולאחר מכן מתוקנת. לאחר הפחתת מתח דרך שנאי, המתח הפך נמוך יחסית, וניתן להשתמש בשבבי הספק כגון ווסת מתח תלת-טרמינלי לייצוב מתח. צינור הכוונון של ספק הכוח הליניארי פועל במצב מוגבר, וכתוצאה מכך ייצור חום גבוה ויעילות נמוכה (קשור למפל המתח), המצריך תוספת של גוף קירור מגושם. גם הנפח של שנאי תדר הספק גדול יחסית, וכאשר מייצרים סטים מרובים של יציאות מתח, נפח השנאי יהיה גדול יותר.
צינור הכוונון של ספק כוח מיתוג AC/DC פועל במצבי רוויה וניתוק, וכתוצאה מכך ייצור חום נמוך ויעילות גבוהה. ספק הכוח מיתוג AC/DC מבטל את הצורך בשנאי תדר כוח מגושמים. עם זאת, לפלט ה-DC של ספק הכוח המתג AC/DC יהיו אדוות גדולות יותר, אשר עשויות להשתפר על ידי חיבור דיודת ווסת מתח בקצה הפלט. בנוסף, בשל הפרעות הדופק הגבוהות שנוצרות במהלך פעולת צינור המתג, יש לחבר חרוזים מגנטיים בסדרה במעגל כדי להשתפר. באופן יחסי, האדוות של ספק כוח ליניארי יכול להיות קטן מאוד. ניתן להשיג מיתוג של ספקי כוח באמצעות מבנים טופולוגיים שונים, כגון הפחתת מתח, חיזוק והגברה, בעוד שספקי כוח ליניאריים יכולים להשיג הפחתת מתח בלבד.
מתאמי מתח מוקדמים רבים היו כבדים יחסית, ועקרון ההמרה שלהם היה ספק כוח ליניארי AC/DC, שהשתמש בשנאי תדר חשמל באופן פנימי. ספק כוח ליניארי AC/DC משתמש תחילה בשנאי כדי להפחית את מתח ה-AC. סוג זה של שנאי, המפחית ישירות את המתח ברשת החשמל, נקרא שנאי תדר חשמל, כפי שמוצג באיור 1.9. שנאי תדר כוח, הידוע גם בשם שנאים בתדר נמוך, מבדילים אותם משנאים בתדר גבוה המשמשים למיתוג ספקי כוח. שנאי תדר חשמל היו בשימוש נרחב במקורות חשמל מסורתיים בעבר. התדר הסטנדרטי של חשמל רשת בתעשיית החשמל, המכונה גם חשמל רשת ("מתח רשת" מתייחס לספק הכוח המשמש בעיקר תושבים בערים), הוא 50Hz בסין ו-60Hz במדינות אחרות. שנאי שיכול לשנות את המתח של זרם חילופין בתדר זה נקרא שנאי תדר חשמל. שנאי תדר חשמל הם בדרך כלל גדולים יותר בגודלם בהשוואה לשנאים בתדר גבוה. אז הנפח של ספק כוח ליניארי AC/DC המיושם עם שנאי תדר חשמל הוא גדול יחסית.
ספק כוח מיתוג AC/DC דורש תחילה תיקון וסינון של ספק הכוח AC כדי ליצור מתח גבוה DC משוער, ולאחר מכן שליטה במתג כדי ליצור פולסים בתדר גבוה, אשר עוברים טרנספורמציה באמצעות שנאי. לספק כוח מיתוג AC/DC יש יעילות גבוהה יותר וגודל קטן יותר. אחת הסיבות החשובות לגודלו הקטן היא ששנאים בתדר גבוה קטנים בהרבה משנאים בתדר חשמל. מדוע ככל שהתדר גבוה יותר, כך נפח השנאי קטן יותר?
לחומרי ליבת שנאי יש מגבלות רוויה, ולכן יש גבולות לשיא עוצמת השדה המגנטי. הזרם, עוצמת השדה המגנטי והשטף המגנטי של זרם חילופין הם כולם אותות סינוסואידיים. אנו יודעים שעבור אותות סינוס מאותה משרעת, ככל שהתדר גבוה יותר, כך שיא "קצב השינוי" של האות גדול יותר (הרגע שבו אות הסינוס חוצה את האפס הוא שיא "קצב השינוי", בעוד שהקצב של השינוי בשיא האות הוא 0). בינתיים, המתח המושרה נקבע על ידי קצב השינוי של השטף המגנטי. לכן, עבור אותו מתח לכל סיבוב, ככל שהתדר גבוה יותר, כך שיא השטף המגנטי הנדרש קטן יותר. אבל כאמור, ערך השיא של עוצמת השדה המגנטי מוגבל. לכן, אם דרישת השטף המגנטי מצטמצם, ניתן להקטין את שטח החתך של ליבת הברזל. הניתוח לעיל מניח את אותו מתח לכל סיבוב. והמתח לסיבוב קשור להספק. לכן, בהנחה אותו כוח. אם ההספק קטן יותר, גם הזרם קטן יותר, והחוט המותר דק יותר, וההתנגדות מעט גבוהה יותר, מותר להגדיל את מספר הסיבובים. כך גם המתח לסיבוב מופחת, מה שיכול גם להפחית את דרישת השטף המגנטי. לאחר מכן הפחיתו את עוצמת הקול. כמו כן, הניתוח לעיל מניח שהחומר קבוע, כלומר, עוצמת השדה המגנטי של הרוויה קבועה. כמובן, אם משתמשים בחומרים בעלי עוצמת שדה מגנטי רוויה גבוהה יותר, ניתן גם להפחית את הנפח. אנו יודעים שבהשוואה לשנאים באותו גודל לפני עשרות שנים, לשנאים בימינו יש נפחים קטנים בהרבה מכיוון שהם משתמשים כיום בחומרי ליבת ברזל חדשים.
לפי המשוואה של מקסוול, הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה E בסליל השנאי הוא
כלומר, האינטגרל של קצב השינוי של צפיפות השטף המגנטי B לאורך זמן על פני N סיבובי חוטים עם שטח של Ac.
עבור שנאים, הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה E בצד הראשוני של השנאי והמתח U המופעל בצד הקלט יכולים להיחשב כקשר ליניארי. בהנחה שהמשרעת של U בצד הקלט של השנאי נשארת ללא שינוי, ניתן לשקול שגם המשרעת של E נשארת ללא שינוי.
בנוסף, קיים גבול עליון לצפיפות השטף המגנטי B של כל סוג של ליבה מגנטית. הפריט המשמש ליישומים בתדר גבוה הוא בסביבות כמה עשיריות מטסלה, בעוד שליבת הברזל המשמשת ליישומי תדר מתח היא סביב רמה מעט גדולה מאחד, עם הבדל קטן.
לכן, כאשר התדר עולה, קצב השינוי בצפיפות השטף המגנטי dB/dt במהלך כל מחזור עולה באופן משמעותי, בתנאי ששינוי שיא בצפיפות השטף המגנטי B אינו משמעותי. לכן, Ac או N קטנים יותר ניתן להשתמש כדי להשיג את אותו כוח אלקטרו-מוטיבציה E. ירידה ב-Ac פירושה ירידה בשטח החתך של הליבה המגנטית; ירידה ב-N פירושה שניתן להקטין את שטח החלון הריק של הליבה המגנטית, שניהם יכולים לעזור להשיג נפח קטן יותר של הליבה המגנטית. שטח החתך של שנאי בתדר גבוה קטן יותר, ומספר הסיבובים בסליל פוחת, וכתוצאה מכך נפח קטן יותר.
צינור הכוונון של ספק הכוח המיתוג פועל במצבי רוויה וניתוק, וכתוצאה מכך ייצור חום נמוך ויעילות גבוהה. ספקי כוח מיתוג AC/DC אינם דורשים שימוש בשנאי תדר מתח גדולים. עם זאת, על פלט ה-DC של ספק הכוח המיתוג יהיו אדוות גדולות. בנוסף, בשל הפרעות שיא הדופק הגדולות שנוצרות במהלך פעולת טרנזיסטור המיתוג, יש צורך גם לסנן את ספק הכוח במעגל כדי לשפר את איכות ספק הכוח. באופן יחסי, למקורות כוח ליניאריים אין את הפגמים שלעיל, והאדווה שלהם יכולה להיות קטנה מאוד.
