Stručná historie spínaných napájecích zdrojů

Spínané zdroje najdeme v elektronice všude. Poskytují konstantní napětí, které napájí naše počítače, mobilní telefony, nabíječky, domácí spotřebiče a mnoho dalších elektronických zařízení. Bez ohledu na to, jaké elektronické zařízení máte po ruce, potřebují spolehlivý zdroj energie. Zdroje energie se mohou lišit od baterií, střídavých zásuvek nebo slunce.

Ve všech těchto případech musí být napájecí napětí přeměněno na stabilní a použitelné napětí, aby vyhovovalo požadavkům konkrétního obvodu. Například typická alkalická baterie typu AA má jmenovité napětí 1.5 V, které s klesajícím nabitím neustále klesá. Z tohoto důvodu napájené obvody vyžadují účinné prostředky pro udržení konstantního vstupního napětí. Zde přicházejí na pomoc spínané zdroje.

Konverze napětí: Lineární nebo spínaný zdroj?

Existují dvě hlavní možnosti, jak převést nestabilní vyšší vstupní napětí na nižší stabilní výstupní napětí. Jeden je lineární zdroj a druhý je spínaný zdroj.

Hlavní výhodou lineárních napájecích zdrojů je jednoduchost jejich konstrukce a další výhodou je dobrá filtrace napájecích zdrojů. Obvykle však vyžadují velké vstupní a výstupní kapacity a mohou plýtvat velkým množstvím energie. A přebytečné stejnosměrné napětí se obvykle rozptýlí jako teplo. To může také způsobit tepelné problémy, které obvykle vyžadují chladiče nebo ventilátory, které pomohou odstranit nežádoucí teplo.

Na druhou stranu spínané zdroje používají tranzistory, které mohou přepínat tisícekrát za sekundu, aby přeměnily vyšší stejnosměrné napětí na nižší stejnosměrné napětí. Přestože jsou spínané napájecí obvody složitější a mohou generovat elektromagnetické rušení (EMI), vyžadují menší kondenzátory a mají vyšší účinnost. Lze očekávat, že účinnost spínaného zdroje bude vyšší než 80 % a většina návrhů dosahuje účinnosti vyšší než 90 % (obrázek 1).

Obrázek 1.

Základní blokové schéma spínaného zdroje. (Archiv dokumentů amerického námořnictva [1]).

Geneze spínaného napájecího zdroje

Teorie spínaných zdrojů existuje již od nejstarších dob. Praktické uplatnění však tato myšlenka našla až v 1950. letech XNUMX. století po vynálezu křemíkového tranzistoru.

Významný vývoj v oblasti spínaných zdrojů nastal koncem 1950. let: General Electric zveřejnila návrh v roce 1959 a Pioneer Magnetics začala nabízet svá vlastní řešení. Tranzistory však byly v té době velmi drahé. To eliminovalo použití tranzistorových napájecích zdrojů v mnoha spotřebitelských aplikacích a vyhradilo je výhradně pro aplikace s největšími rozpočty.

Například NASA a letecký průmysl začaly ve svých aplikacích používat spínané napájecí zdroje v 1960. letech XNUMX. století. Bylo to způsobeno malou velikostí obvodů a jejich vysokou účinností. Bude to jen deset let, než jejich cena klesne do bodu, kdy si tranzistorové napájecí zdroje najdou cestu do spotřebitelských zařízení.

Revoluce ve spínaných zdrojích začala v 1970. letech minulého století

Koncem 1960. let se v produktech dostupných veřejnosti začaly objevovat spínané zdroje, ale skutečná „revoluce“ začala až v 1970. letech. Například v roce 1966 Tektronix zařadil spínaný zdroj do ručního osciloskopu a v roce 1967 RO Associates představil 20kHz spínací obvod, který je považován za první komerčně úspěšný spínaný zdroj.

Přečtěte si více

Pěstování sazenic jahod - ABC zahradníka

Počátkem 1970. let však začaly společnosti Hewlett-Packard, IBM a RCA integrovat spínací obvody do svých počítačů. Přibližně ve stejné době začaly být barevné televizory napájeny pulzními obvody. V 70. letech se články na toto téma začaly objevovat v populárních elektronických časopisech jako Electronic Design, Electronics World a Computer Design. Patří mezi ně obálka časopisu Electronic Design z roku 1976, na které je napsáno „Náhlé přepínání je snazší“ (obrázek 2).


Obrázek 2.	V tomto článku, jehož název se objevuje na obálce časopisu Electronic Design, Je popsán vzhled pulzního napájecího zdroje. Elektronický design vycházel v nákladu 200 stran každé dva týdny. (Podrobnější informace lze nalézt na stránkách Historie světového rozhlasu [2]).

Všechny výdobytky té doby byly také vedlejším produktem evoluce tranzistorové technologie. Tranzistory zlevnily, zrychlily a mohly pracovat při vyšším napětí. Najednou byly spínací obvody schopny pracovat na vyšších frekvencích, čímž se zlepšila účinnost, velikost a odvod tepla.

Jakýkoli nový a zpočátku vzrušující napájecí zdroj vyvinutý v té době by brzy zmizel z trhu, protože se objevily kompaktnější, účinnější a obecně výkonnější konstrukce. Jak ceny tranzistorů začaly klesat, výroba těchto napájecích zdrojů zlevnila, což umožnilo, aby se tato technologie začala začleňovat do každodenních spotřebních produktů.
Vznik norem a specifikací pro napájecí zdroje

V 1990. letech se začaly objevovat standardy pro napájecí zdroje. Některé z nich se týkaly tvarových faktorů, zatímco jiné byly více zaměřeny na elektrické vlastnosti zařízení.

Například v roce 1995 Intel vyvinul specifikaci napájecího zdroje ATX pro počítače. Tento standard převládá dodnes – počítačové zdroje běžně měří 150 x 86 x 140 mm. Kromě toho poskytují výstupní napětí jako 3.3, 12 a ±5 V. Další specifikace zahrnují toleranci napájecího napětí (obvykle ±5 %) a zvlnění napětí (tabulka 1).

Napájecí sběrnice	Tolerance
+ 5 B	± 5%
-5V (pokud se používá)	± 10%
+ 12 B	± 5%
-12 V	± 10%
+ 3.3 B	± 5%
+5V pro pohotovostní režim	± 5%

Další příklad standardu, který se objevil v 1990. letech a existuje dodnes, se týká elektromagnetické kompatibility. Obvody s klíčovými tranzistory mohou skutečně generovat velké množství elektromagnetického rušení. To nebyl problém, dokud elektronika nezačala ve společnosti stále více převládat. Takové elektromagnetické záření generované pulzním obvodem může rušit jiná elektronická zařízení.

Evropská unie nakonec schválila zákon, který má pomoci kontrolovat úroveň elektromagnetického rušení, které může zařízení vyzařovat. Otázky elektromagnetické kompatibility jsou i dnes klíčovým faktorem, a to mnohem více než v 90. letech.

Obecně jsou spínané zdroje klíčovou součástí mnoha moderních elektronických systémů. Jejich technologie se neustále vyvíjí, což jim umožňuje zvýšit účinnost, snížit velikost, zvýšit výkon, snížit pulzaci, zlepšit stabilitu a snížit elektromagnetické emise. S tím, jak se elektronika neustále vyvíjí, stává se kompaktnější a účinnější, budou se spínané napájecí zdroje také vyvíjet.

Přečtěte si více

Jak chovat kalifornského červa doma - 2021 - aktualizace 2021 - GPclick