Источник питания

Источник питания – это электрическое устройство, которое подает электрическую энергию на электрическую нагрузку. Основной функцией источника питания является преобразование электрического тока из источника в правильное напряжение, ток и частоту для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называются преобразователями электроэнергии. Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные компоненты оборудования, а другие встроены в нагрузочные устройства, которые они питают. Примеры последних включают источники питания, имеющиеся на настольных компьютерах и устройствах бытовой электроники. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают в себя ограничение тока, наносимого нагрузкой, на безопасные уровни, выключение тока в случае электрической неисправности, кондиционирование питания для предотвращения появления электронных помех или перенапряжений на входе от нагрузки, факторную коррекцию и сохранение энергии, чтобы она могла продолжать подавать нагрузку в случае временного прерывания источника питания (источник бесперебойного питания).

Все источники питания имеют входное напряжение питания, которое получает энергию в виде электрического тока от источника и одно или несколько соединений выходной мощности, которые подают ток на нагрузку. Источник питания может поступать от электрической сети, такой как электрическая розетка, устройства хранения энергии, такие как батареи или топливные элементы, генераторы или генераторы переменного тока, преобразователи солнечной энергии или другой источник питания. Входы и выходы обычно представляют собой проводные схемы, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания своих нагрузок без проводных соединений. Некоторые источники питания также имеют другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.

Основная классификация

функциональная
Источники питания классифицируются по-разному, в том числе по функциональным функциям. Например, регулируемый источник питания – это тот, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выход нерегулируемого источника питания может значительно измениться при изменении входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют запрограммировать выходное напряжение или ток с помощью механических элементов управления (например, ручек на передней панели источника питания) или с помощью управляющего входа или обоих. Регулируемый регулируемый источник питания – это регулируемый и регулируемый. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, электрически не зависящую от входной мощности; это контрастирует с другими источниками питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом питания.

упаковка
Источники питания упакованы по-разному и классифицируются соответствующим образом. Блок питания для настольных компьютеров представляет собой автономный настольный блок, используемый в таких приложениях, как проверка цепи и разработка. Источники питания с открытым каркасом имеют только частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажной базы; они обычно встроены в оборудование или другое оборудование. Источники питания для монтажа в стойку предназначены для крепления в стандартные стойки электронного оборудования. Интегрированный блок питания – это тот, который имеет общую печатную плату с нагрузкой. Внешний источник питания, адаптер переменного тока или блок питания – это блок питания, расположенный в шнуре питания переменного тока нагрузки, который подключается к сетевой розетке; стеновая бородавка – это внешний источник питания, встроенный в розетку. Они популярны в бытовой электронике из-за их безопасности; опасный ток сети 120 или 240 вольт преобразуется до более безопасного напряжения, прежде чем он попадет в корпус прибора.

Способ преобразования мощности
Источники питания можно разделить на линейные и коммутационные. Линейные преобразователи мощности напрямую обрабатывают входную мощность, при этом все активные компоненты преобразования энергии работают в своих линейных рабочих областях. При переключении преобразователей мощности входная мощность преобразуется в переменные или импульсы постоянного тока перед обработкой компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторы, которые проводят большую часть своего времени при отсечке или насыщении). Питание «теряется» (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в своих линейных областях и, следовательно, коммутационные преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, потому что их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.

Линейные источники питания
Линейные источники следуют схеме: трансформатор, выпрямитель, фильтр, регулирование и выход.

Во-первых, трансформатор адаптирует уровни напряжения и обеспечивает гальваническую развязку. Схема, которая преобразует переменный ток в пульсирующий DC, называется выпрямителем, тогда они обычно несут схему, которая уменьшает пульсацию, как конденсаторный фильтр. Регулирование или стабилизация напряжения до заданного значения достигается с помощью компонента, называемого регулятором напряжения, который представляет собой не что иное, как систему управления замкнутым контуром («обратная связь»), которая на основе выходного сигнала схемы регулирует напряжение регулирующий элемент, который по большей части этот элемент является транзистором. Этот транзистор, который в зависимости от типа источника всегда поляризован, действует как регулируемый резистор, в то время как схема управления играет с активной областью транзистора, чтобы имитировать большее или меньшее сопротивление и, следовательно, регулировать выходное напряжение. Этот тип источника менее эффективен при использовании подаваемой энергии, поскольку часть энергии преобразуется в тепло в результате эффекта Джоуля в регулирующем элементе (транзисторе), поскольку он ведет себя как переменное сопротивление. На выходе этой ступени для достижения большей стабильности в пульсации есть вторая ступень фильтрации (хотя не обязательно, все зависит от требований к дизайну), это может быть просто конденсатор. Этот ток охватывает всю энергию схемы, так как этот источник питания должен учитывать некоторые конкретные моменты при определении характеристик трансформатора.

Коммутируемые блоки питания
Переключаемый источник – это электронное устройство, которое преобразует электрическую энергию путем переключения транзисторов. В то время как регулятор напряжения использует поляризованные транзисторы в своей активной области усиления, коммутируемые источники используют то же самое, что активно переключают их на высоких частотах (обычно 20-100 кГц) между разрезами (открытыми) и насыщенностью (закрытыми). Полученный квадратный сигнал применяется к трансформаторам с ферритовым сердечником (железные сердечники не подходят для этих высоких частот) для получения одного или нескольких напряжений. Выход переменного тока (AC), который затем выпрямляется (с быстрыми диодами) и фильтруется (индукторы и конденсаторы) для получения выходного напряжения постоянного тока. Преимущества этого метода включают меньший размер и вес сердечника, большую эффективность и, следовательно, меньшее нагревание. Недостатки по сравнению с линейными источниками заключаются в том, что они более сложны и генерируют высокочастотные электрические шумы, которые необходимо тщательно минимизировать, чтобы не создавать помех для оборудования вблизи этих источников.

Коммутируемые источники имеют схему: выпрямитель, переключатель, трансформатор, другой выпрямитель и выход.

Регулирование получается с помощью переключателя, обычно это ШИМ-схема (широтно-импульсная модуляция), которая изменяет рабочий цикл. Здесь функции трансформатора те же, что и для линейных источников, но их положение различно. Второй выпрямитель преобразует пульсирующий переменный сигнал, поступающий от трансформатора, в непрерывное значение. Выход может также быть конденсаторным фильтром или одним из типов LC.

Преимущества линейных источников – лучшее регулирование, скорость и лучшие характеристики ЭМС. С другой стороны, коммутаторы получают лучшую производительность, меньшую стоимость и размер.

Типы

источник постоянного тока
Источник питания постоянного тока – это источник постоянного напряжения постоянного тока. В зависимости от его конструкции источник питания постоянного тока может питаться от источника постоянного тока или от источника переменного тока, такого как сеть электропитания.

Питание от сети переменного тока
Источники питания постоянного тока используют электрическую сеть переменного тока в качестве источника энергии. Такие источники питания будут использовать трансформатор для преобразования входного напряжения в более высокое или низкое напряжение переменного тока. Выпрямитель используется для преобразования выходного напряжения трансформатора в переменное постоянное напряжение, которое, в свою очередь, пропускается через электронный фильтр, чтобы преобразовать его в нерегулируемое постоянное напряжение.

Фильтр удаляет большинство, но не все изменения напряжения переменного тока; оставшееся переменное напряжение известно как пульсация. Допуск электрической нагрузки на пульсацию диктует минимальный объем фильтрации, который должен быть обеспечен источником питания. В некоторых случаях допускается высокая пульсация, и поэтому фильтрация не требуется. Например, в некоторых приложениях зарядки аккумулятора можно реализовать источник питания постоянного тока с питанием от сети переменного тока с не более чем трансформатором и одним выпрямительным диодом с последовательно соединенным резистором с выходом для ограничения тока зарядки.

Электропитание с коммутируемым режимом
В блоке питания с включенным режимом (SMPS) сетевой вход переменного тока напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Результирующее постоянное напряжение затем включается и выключается с высокой частотой с помощью электронных схем коммутации, создавая таким образом переменный ток, который будет проходить через высокочастотный трансформатор или индуктор. Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц – 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и фильтрующие конденсаторы, которые намного меньше, легче и дешевле, чем у линейных источников питания, работающих на частоте сети. После вторичной индуктивности или трансформатора высокочастотный AC выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если SMPS использует адекватно изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети; эта особенность часто необходима для безопасности.

Источники питания с коммутируемым режимом обычно регулируются, и для поддержания постоянного напряжения на выходе питания используется контроллер обратной связи, который контролирует ток, потребляемый нагрузкой. Цикл переключения переключается с увеличением требований к мощности.

SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или схему лома, чтобы защитить устройство и пользователя от вреда. В случае обнаружения аномальной сильноточной мощности, источник питания в режиме коммутации может считать, что это короткое замыкание и будет закрыто перед повреждением. Блоки питания ПК часто обеспечивают хороший сигнал питания материнской плате; отсутствие этого сигнала предотвращает работу, когда присутствуют аномальные напряжения питания.

Некоторые SMPS имеют абсолютное ограничение на их минимальный выходной ток. Они могут выводить выше определенного уровня мощности и не могут функционировать ниже этой точки. В условиях отсутствия нагрузки частота цепи отсечения мощности увеличивается до большой скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как катушка Тесла, вызывая повреждение из-за возникающих очень высоких импульсов мощности. Поставки в режиме ожидания с защитными схемами могут ненадолго включается, но затем выключается, когда обнаружение нагрузки не обнаружено. Очень небольшая малая маневровая нагрузка, такая как керамический силовой резистор или 10-ваттная лампочка, может быть подключена к источнику питания, чтобы он мог работать без присоединения первичной нагрузки.

Источники питания с коммутационным режимом, используемые на компьютерах, исторически имели низкие коэффициенты мощности и также были значительными источниками линейных помех (из-за индуцированных гармоник линии питания и переходных процессов). В простых источниках питания в режиме переключения входной каскад может искажать форму сигнала линейного напряжения, что может отрицательно повлиять на другие нагрузки (и привести к ухудшению качества питания для других пользователей), а также вызвать излишнее нагревание в проводах и распределительном оборудовании. Кроме того, клиенты несут более высокие счета за электричество при работе с более низкими коэффициентами мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые источники питания с коммутацией питания компьютера выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные ступени переключения для уменьшения помех линии.

Линейный регулятор
Функция линейного регулятора напряжения состоит в том, чтобы преобразовать переменное постоянное напряжение в постоянное, часто определенное, более низкое постоянное напряжение. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от сверхтока (чрезмерный, потенциально разрушающий ток).

Постоянное выходное напряжение требуется во многих приложениях питания, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет меняться в зависимости от изменения импеданса нагрузки. Кроме того, когда источником питания нерегулируемого источника питания является источник энергии, его выходное напряжение также будет меняться при изменении входного напряжения. Чтобы обойти это, некоторые источники питания используют линейный регулятор напряжения для поддержания выходного напряжения при постоянном значении, независимо от колебаний входного напряжения и импеданса нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсации и шума на выходном напряжении.

Источники питания переменного тока
Источник питания переменного тока обычно принимает напряжение от настенной розетки (сеть) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемого напряжения. Может произойти и некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется изолирующим трансформатором. Другие трансформаторы переменного тока не обеспечивают изоляцию сети; они называются автотрансформаторами; переменный выходной автотрансформатор известен как variac. Другие виды источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока, а выходное напряжение может меняться в зависимости от полного сопротивления нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильная аккумуляторная батарея), инвертор и повышающий трансформатор могут использоваться для преобразования его в переменную мощность. Портативная мощность переменного тока может быть обеспечена генератором переменного тока, работающим на дизельном или бензиновом двигателе (например, на строительной площадке, в автомобиле или на лодке или в резервной энергетике для аварийных служб), ток которой передается в схему регулятора, чтобы обеспечить постоянное напряжение на выходе. Некоторые виды преобразования переменного тока не используют трансформатор. Если выходное напряжение и входное напряжение одинаковы, и основной целью устройства является фильтрация мощности переменного тока, его можно назвать линейным кондиционером. Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания. Схема может быть спроектирована с топологией умножителя напряжения для прямого повышения мощности переменного тока; ранее такое приложение представляло собой приемник переменного / постоянного тока вакуумной трубки.

В современном использовании источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. «Основное различие между однофазным и трехфазным переменным током – постоянство доставки». Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты, а также напряжения, они часто используются производителями для проверки пригодности их продуктов для использования в других странах. 230 В 50 Гц или 115 60 Гц или даже 400 Гц для тестирования авионики.

адаптер переменного тока
Адаптер переменного тока – это блок питания, встроенный в сетевой вилку сетевого питания. Адаптеры переменного тока также известны под различными названиями, такими как «plug pack» или «plug-in adapter», или сленговыми терминами, такими как «wall wart». Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по кабельному кабелю к разъему, но некоторые адаптеры имеют несколько выходов, которые могут передаваться по одному или нескольким кабелям. «Универсальные» адаптеры переменного тока имеют взаимозаменяемые входные разъемы для подключения различных напряжений сети переменного тока.

Адаптеры с выходами переменного тока могут состоять только из пассивного трансформатора (плюс несколько диодов в адаптерах постоянного тока), или они могут использовать схему коммутационного режима. Адаптеры переменного тока потребляют энергию (и производят электрические и магнитные поля), даже если они не подключены к нагрузке; по этой причине их иногда называют «электрическими вампирами» и могут быть подключены к силовым полоскам, чтобы они могли удобно включаться и выключаться.

Программируемый источник питания
Программируемый источник питания – это тот, который позволяет осуществлять дистанционное управление его работой через аналоговый вход или цифровой интерфейс, такой как RS232 или GPIB. Контролируемые свойства могут включать в себя напряжение, ток, а в случае источников питания переменного тока – частоту. Они используются в самых разнообразных областях применения, включая автоматическое тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов, изготовление полупроводников и рентгеновские генераторы.

Программируемые источники питания обычно используют интегральный микрокомпьютер для управления и контроля работы источника питания. Источники питания, оснащенные компьютерным интерфейсом, могут использовать проприетарные протоколы связи или стандартные протоколы и языки управления устройствами, такие как SCPI.

Бесперебойный источник питания
Источник бесперебойного питания (ИБП) берет свое питание от двух или более источников одновременно. Обычно он питается от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумуляторную батарею. Если есть отказ или отказ от сети, аккумулятор мгновенно берет на себя, так что нагрузка никогда не прерывается. Мгновенно здесь следует определить как скорость электричества внутри проводников, которая несколько близка к скорости света. Это определение важно, потому что передача высокоскоростных данных и услуг связи должна иметь непрерывность / отсутствие прерывания этой службы. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако с высокоскоростными данными даже 4 мс времени при переходе от одного источника к другому не достаточно быстро. Переход должен выполняться в режиме перерыва до метода make. ИБП, удовлетворяющее этому требованию, называется ИБП True UPS или гибридный ИБП. Сколько времени ИБП будет обеспечивать, чаще всего основывается на батареях и в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от квази минимум от 5 до 15 минут до буквально часов или даже дней. Во многих компьютерных установках достаточно времени на батареи, чтобы дать операторам время, чтобы отключить систему в порядке. Другие схемы ИБП могут использовать двигатель внутреннего сгорания или турбину для подачи электроэнергии во время отключения электроэнергии, а время автономной работы зависит от того, сколько времени требуется, чтобы генератор находился на линии и критичность обслуживаемого оборудования. Такая схема находится в больницах, центрах обработки данных, колл-центрах, сотовых центрах и центральных офисах по телефону.

Высоковольтный источник питания
Высоковольтный источник питания – это один, который выводит сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, который предотвращает появление дуги, разрушение изоляции и случайный контакт с человеком. Разъемы Federal Standard обычно используются для приложений выше 20 кВ, хотя для более низкого напряжения могут использоваться другие типы разъемов (например, разъем SHV). Некоторые высоковольтные источники питания обеспечивают аналоговый вход или цифровой интерфейс связи, который может использоваться для управления выходным напряжением. Высоковольтные источники питания обычно используются для ускорения и манипулирования электронными и ионными пучками в оборудовании, таком как рентгеновские генераторы, электронные микроскопы и фокусированные столбцы ионного пучка, а также в ряде других приложений, включая электрофорез и электростатику.

Высоковольтные источники питания обычно применяют основную часть своей входной энергии к преобразователю мощности, который в свою очередь управляет множителем напряжения или высоким коэффициентом поворота, высоковольтным трансформатором или обоими (как правило, трансформатором с последующим умножителем) для получения высоких вольтаж. Высокое напряжение передается из источника питания через специальный разъем и также применяется к делителю напряжения, который преобразует его в низковольтный измерительный сигнал, совместимый с низковольтной схемой. Дозирующий сигнал используется контроллером с замкнутым контуром, который регулирует высокое напряжение путем управления входной мощностью инвертора, а также может быть передан из источника питания, чтобы внешние схемы могли контролировать выход высокого напряжения.

Биполярный источник питания
Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах декартовой плоскости напряжения / тока, что означает, что он будет генерировать положительные и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания регулирования. Когда его выход управляется аналоговым сигналом низкого уровня, он эффективно представляет собой низкопроизводительный операционный усилитель с высокой выходной мощностью и бесшовными ноль-переходами. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях. [Пример необходим]

Спецификация
Пригодность конкретного источника питания для приложения определяется различными атрибутами источника питания, которые обычно перечислены в спецификации источника питания. Обычно указанные атрибуты для источника питания включают:

Тип входного напряжения (переменный или постоянный ток) и диапазон
Эффективность преобразования мощности
Количество напряжения и тока, которое он может подавать на свою нагрузку
Насколько стабильно его выходное напряжение или ток находятся в разных условиях линии и нагрузки
Как долго он может подавать энергию без заправки или подзарядки (применяется к источникам питания, использующим переносные источники энергии)
Диапазоны температур эксплуатации и хранения

Обычно используемые сокращения, используемые в спецификациях источника питания:

SCP – защита от короткого замыкания
OPP – защита от перегрузки (перегрузки)
OCP – Защита от перегрузки по току
OTP – защита от перегрева
OVP – Защита от перенапряжения
UVP – защита от пониженного напряжения

Управление температурным режимом
Электропитание электрической системы имеет тенденцию генерировать много тепла. Чем выше эффективность, тем больше тепла отходит от устройства. Существует множество способов управления теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории – конвекцию и проводимость. Общие методы конвекции для охлаждения электронных источников питания включают естественный поток воздуха, принудительный поток воздуха или другой поток жидкости по устройству. Общие методы охлаждения проводимости включают теплоотводы, холодные плиты и термические соединения.

Защита от перегрузки
Источники питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели являются двумя обычно используемыми механизмами защиты от перегрузки.

Предохранитель содержит короткую часть провода, которая плавится, если происходит слишком много тока. Это эффективно отключает питание от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет обнаружена проблема, вызвавшая перегрузку, и замените предохранитель. В некоторых источниках питания используется очень тонкая проводная связь, спаянная на месте в качестве предохранителя. Предохранители в блоках питания могут быть заменены конечным пользователем, но предохранители в потребительском оборудовании могут потребовать инструментов для доступа и изменения.

Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревает, изгибает и запускает пружину, которая отключает контур. Как только элемент остынет, и проблема будет обнаружена, выключатель может быть сброшен и питание восстановлено.

В некоторых блоках питания используется тепловой выключатель, заложенный в трансформаторе, а не предохранитель. Преимуществом является то, что он позволяет увеличить ток в течение ограниченного времени, чем устройство может поставлять непрерывно. Некоторые такие вырезы самовосстанавливаются, некоторые – только для одного использования.

Ограничение тока
В некоторых расходных материалах используется ограничение тока вместо отключения питания при перегрузке. Используемые два типа ограничения по току – это ограничение по электронному ограничению и полное сопротивление. Первый является обычным для лабораторных стендов, последний является общим при поставках менее 3 Вт.

Ограничитель тока обратной связи уменьшает выходной ток до гораздо меньшего, чем максимальный ток без тока.

Приложения
Источники питания являются фундаментальной составляющей многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных областях применения. Этот список представляет собой небольшую выборку из многих приложений источников питания.

компьютеры
Современный компьютерный источник питания представляет собой источник питания с коммутационным режимом, который преобразует мощность переменного тока от сети, к нескольким постоянным напряжениям. Поставки переключающего режима заменяли линейные расходные материалы из-за увеличения стоимости, веса и размера. Разнообразный сбор выходных напряжений также имеет широко изменяющиеся требования к потреблению тока.

Электрические транспортные средства
Электрические транспортные средства – это те, которые полагаются на энергию, создаваемую в результате производства электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования энергии аккумулятора высокого напряжения.

сварка
Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов, плавя их. Электричество обеспечивается сварочным источником питания и может быть как переменным током, так и постоянным током. Дуговая сварка требует больших токов, обычно от 100 до 350 ампер. Некоторые типы сварки могут использовать всего 10 ампер, в то время как в некоторых случаях применения точечной сварки в течение очень короткого времени используются токи до 60 000 ампер. Источники сварки состояли из трансформаторов или двигателей, ведущих генераторы; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать в себя микропроцессорное управление.

Самолет
Как коммерческие, так и военные авионические системы требуют либо постоянного тока, либо источника переменного / постоянного тока для преобразования энергии в полезное напряжение. Они могут часто работать на частоте 400 Гц в интересах экономии веса.

автоматизация
Это касается конвейеров, сборочных линий, считывателей штрих-кодов, камер, двигателей, насосов, полуфабрикатов и т. Д.

медицинская
К ним относятся вентиляторы, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, изображения и кровати.