"Effizienz" von Schaltnetzteilen und theoretischer Energieverlust

Dies ist eine stark vereinfachte Antwort: -

Es gibt dieses Ding namens Transformator – es hat zwei Spulen, die eng magnetisch verbunden sind. Die beiden Spulen werden primär und sekundär genannt. Wenn die Primärseite 1000 Windungen und die Sekundärseite 100 Windungen hat, wird eine Wechselspannung von 120 V auf 12 V herabgesetzt. Es wird einen leichten Leistungsverlust geben, aber normalerweise haben Transformatoren einen Wirkungsgrad von mehr als 90 %. Wenn wir einen Wirkungsgrad von fast 100 % annehmen, folgt daraus, dass wir, wenn wir die Spannung um das Zehnfache verringern, auch den Strom um das Zehnfache erhöhen können, also vereinfacht: -

$V_{in} \cdot I_{in} = V_{out} \cdot I_{out}$

Der Transformator ist das Herzstück eines Offline-Schaltnetzteils, aber anstatt dass der Transformator mit reinem Wechselstrom bei 60 Hz oder 50 Hz gespeist wird, wird er mit einer viel höheren Frequenz gespeist, und das bedeutet, dass ein viel kleinerer Transformator verwendet werden kann.

Die eingehende 110-V-Wechselspannung wird also gleichgerichtet und geglättet (nicht auf 110-V-Gleichspannung), sondern auf eine Spannung von eher 154-Volt-Gleichspannung. Dies speist einen Leistungsoszillator (der mit 100 kHz betrieben werden kann) und treibt die Primärwicklung des Transformators an.

Auf der Sekundärseite (der Niederspannungsseite) gibt es einen weiteren Gleichrichter und mehr Glättungskondensatoren. Es kann auch ein Rückkopplungssystem geben, das die Ausgabe genau reguliert hält. Hier ist ein typisches Blockdiagramm: -

_{(Quelle: philpem.me.uk )}

Ich sollte also in der Lage sein, mit einem Draht mit kleinerer Stärke zum Eingang (bei hoher Spannung) meines Schaltnetzteils auszukommen, während ich für den Ausgang (bei niedrigerer Spannung) einen Draht mit größerer Stärke verwenden muss.

Richtig!

Es gibt viele verschiedene Topologien für Schaltnetzteile. Ich denke, Sie könnten einige der Konzepte verwechseln.

Zunächst einmal wird in allen mir bekannten Fällen Wechselstrom mit einer Art Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Der Wechselstrom ist nicht mit dem Schaltelement verbunden.

Es gibt eine Familie von SMPS, die als Offline-Konverter bezeichnet werden. Diese verbinden den gleichgerichteten Hochspannungsgleichstrom und das Schaltelement mit einem Transformator. Dies bietet zwei große Vorteile. Erstens ermöglicht eine hohe Schaltfrequenz die Verwendung eines kleineren Transformators. (So ​​machen sie diese iPhone-Ladegeräte klein genug, um in einen Netzstecker zu passen.) Der zweite Vorteil ist die Trennung von der Netzspannung, was eine Sicherheitsanforderung ist.

Einfachere SMPS werden oft als DC-DC-Wandler bezeichnet, und ich denke, das ist wirklich das, wonach Sie fragen. Sie können sich diese als Energierelais vorstellen. Sie verwenden einen Induktor zum Speichern und Begrenzen des Flusses elektrischer Energie basierend auf dem Arbeitszyklus des Schalters. Schauen Sie sich einen Buck-Boost-Wandler an - es gibt niemals einen leitenden Pfad zwischen der Quellenspannung und der Last:

Viele Leute denken, dass Energie = Spannung ist, und sind dann verwirrt, wenn Induktoren auftauchen. Denken Sie daran, nur weil es einen Strom- und Spannungsabfall gibt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass die Energie verloren geht.

Bei Schaltnetzteilen geht die verlorene Energie (erzeugte Wärme) in der Freilaufdiode und in den verwendeten Induktivitäten / Kondensatoren und, wie Sie bereits erwähnt haben, dem Schaltelement.

Die Kombination aus ESR von den Kondensatoren, Durchlassspannungsabfall von der Freilaufdiode (immer eine Schottky-Diode) während des Ausschaltzyklus und dem Gleichstromwiderstand der Induktivität machen zusammen die Effizienzverluste aus.

Wichtig ist auch der max./min. Arbeitszyklus des Wandlers, und einige sind nicht so gut darin, Bedingungen mit niedrigem Arbeitszyklus aufrechtzuerhalten. Sie können bei sehr hohen oder sehr niedrigen Arbeitszyklen (normalerweise bestimmt durch die Eingangsspannung oder die Differenz der Eingangs-/Ausgangsspannungen) sehr ineffizient sein, und es wird mehr Energie als gewöhnlich durch die Diode verbrannt.

Vielleicht möchten Sie sich auf ein animiertes Diagramm beziehen, das einen Abwärtswandler mit Dioden-, Induktor- und Kondensatoraufbau zeigt, und sehen, wo der Strom während des Zyklus fließt und wo die Verluste auftreten.