Назначение блока питания, как делятся блоки питания

Обновлено: 04.07.2024

Блоки питания составляют основу всех наших электронных устройств и обеспечивают стабильную подачу питания там, где это необходимо больше всего. В современной электронике, такой как компьютеры и другие устройства, чувствительные к данным, питание должно работать безупречно, и один сбой может означать потерю работы и данных. Но, как разработчики электроники, мы, как правило, оставляем свои соображения по поводу источника питания на потом, часто хватаясь за готовый блок схемы, который, как мы знаем, уже работает. В конце концов, нам просто нужен выход 5 В, верно? Оказывается, под капотом происходит гораздо больше.

Источники питания с высоты 10 000 футов

Большинство блоков питания получают питание от сети переменного тока и преобразуют его в постоянный ток для использования в электронных устройствах. Во время этого процесса блок питания выполняет ряд функций, в том числе:

Преобразование переменного тока из сети в стабильный постоянный ток
Предотвращение влияния переменного тока на выход источника постоянного тока
Поддержание выходного напряжения на постоянном уровне независимо от изменений входного напряжения.

Чтобы осуществить все эти преобразования, в обычном блоке питания используется несколько общих компонентов, включая трансформатор, выпрямитель, фильтр и регулятор.

Процесс преобразования переменного тока в постоянный начинается с переменного тока, который возникает в настенной розетке в виде синусоидальной волны. Эта форма волны переменного тока колеблется между отрицательным и положительным напряжением до шестидесяти раз в секунду.

Синусоида переменного тока. (Источник изображения)

Напряжение переменного тока сначала понижается трансформатором, чтобы удовлетворить требования к напряжению нагрузки источника питания. Как только напряжение снижается, выпрямитель преобразует синусоидальную форму волны переменного тока в набор положительных впадин и пиков.

Выпрямление удаляет отрицательную сторону сигнала переменного тока, оставляя только положительный выходной сигнал. (Источник изображения)

В этот момент в форме волны переменного тока все еще присутствуют колебания, поэтому используется фильтр, чтобы сгладить напряжение переменного тока в пригодный для использования источник постоянного тока.

Применение фильтра с резервуарным конденсатором удаляет агрессивные пики и впадины в нашей волновой форме. (Источник изображения)

Теперь, когда переменный ток был преобразован в пригодный для использования постоянный ток, некоторые блоки питания будут дополнительно устранять любые пульсации в форме сигнала с помощью регулятора. Этот регулятор обеспечивает стабильный выход постоянного тока независимо от изменений, происходящих с входным переменным напряжением.

Краткий обзор процесса. Независимо от того, на какой блок питания вы смотрите, он всегда будет иметь как минимум три основных компонента — трансформатор, выпрямитель и фильтр. Регуляторы могут использоваться или не использоваться в зависимости от того, является ли источник питания нестабилизированным или регулируемым (подробнее об этом позже).

Подробно о компонентах блока питания

Трансформер

В качестве первой линии защиты трансформатор выполняет функцию понижения входящего переменного тока от сети до уровня напряжения, который может выдержать нагрузка блока питания. Трансформаторы также могут повышать напряжение, но в этой статье мы сосредоточимся на тех, которые понижают напряжение для низковольтных электронных устройств постоянного тока.

Внутри трансформатора две обмотки катушки, обе физически отделены друг от друга. Первая обмотка получает переменный ток от сети, а затем электромагнитно соединяется со второй обмоткой для передачи необходимого переменного напряжения во вторичную обмотку. Сохраняя эти две обмотки физически разделенными, трансформатор может изолировать сетевое напряжение переменного тока от достижения выхода схемы источника питания.

Две физически разделенные катушки в трансформаторе проводят через электромагнитную связь. (Источник изображения)

Выпрямитель

После того как переменный ток был понижен трансформатором, выпрямитель должен преобразовать сигнал переменного тока в необработанный формат постоянного тока. Это достигается с помощью одного или набора диодов в полуволновой, двухполупериодной или мостовой конфигурации выпрямления.

Полуволновое выпрямление

В этой конфигурации один выпрямительный диод используется для извлечения напряжения постоянного тока из половины периода формы сигнала переменного тока. Это оставляет блоку питания половину выходного напряжения, которое он получил бы от полной формы волны переменного тока при Vpk x 0,318. Половина волны — это самая дешевая конфигурация, которая идеально подходит для нетребовательных источников питания и, как правило, оставляет наибольшее количество пульсаций выходного напряжения.

Полуволновое выпрямление в цепи и форма выходного сигнала. (Источник изображения)

Полноволновое выпрямление

В этой конфигурации два выпрямительных диода используются для извлечения двух полупериодов входящего сигнала переменного тока. Этот процесс обеспечит удвоение выходного напряжения однополупериодного выпрямления при Vpk x 0,637. Хотя эта конфигурация дороже в разработке, чем Half Wave, поскольку для нее требуется трансформатор с центральным отводом, она имеет дополнительное преимущество улучшенного сглаживания пульсаций переменного тока.

Полноволновое выпрямление в цепи и форма выходного сигнала. (Источник изображения)

Исправление моста

В этой конфигурации используются четыре диода, соединенные мостом, для достижения двухполупериодного выпрямления без использования трансформатора с отводом от середины. Это обеспечит то же выходное напряжение, что и полная волна при Vpk x 0,637 с диодами, которым требуется только половина их обратного напряжения пробоя. В течение каждого полупериода два противоположных диода проводят ток, что обеспечивает полную форму волны переменного тока в конце полного цикла.

Мостовое выпрямление в цепи и форма выходного сигнала аналогичны полноволновому. (Источник изображения)

Фильтр

Теперь, когда мы преобразовали напряжение переменного тока, задача фильтра состоит в том, чтобы удалить любые пульсации переменного тока в выходном напряжении, оставив плавное постоянное напряжение. Зачем устранять пульсации? Если они попадут на выход источника питания, они могут повредить нагрузку и, возможно, разрушить всю вашу схему. В фильтрах используются два основных компонента: накопительный конденсатор и фильтр нижних частот.

Резервуарной конденсатор

Электролитический конденсатор большой емкости используется для временного накопления выходного тока, обеспечиваемого выпрямительным диодом. При зарядке этот конденсатор сможет обеспечить выходной постоянный ток в промежутках времени, когда выпрямительный диод не проводит ток. Это позволяет блоку питания поддерживать стабильный выход постоянного тока во время циклов включения/выключения блока питания.

Здесь вы можете увидеть разницу в выходном сигнале с крышкой резервуара и без нее. (Источник изображения)

Фильтр нижних частот

Вы можете создать цепь питания, используя только накопительный конденсатор, но добавление фильтра нижних частот еще больше устранит пульсации переменного тока, которые проходят через накопительный конденсатор. В большинстве базовых источников питания вы не найдете фильтры нижних частот, поскольку для них требуются дорогие катушки индуктивности с ламинированным или тороидальным сердечником. Однако в современной электронике с импульсными источниками питания вы обнаружите, что фильтры нижних частот используются для устранения пульсаций переменного тока на более высоких частотах.

Добавив в цепь питания накопительный конденсатор и фильтр нижних частот, вы сможете устранить более 95 % пульсаций переменного тока. Это позволит вам поддерживать стабильное и чистое выходное напряжение, которое соответствует пику исходной входной волны переменного тока.

Регулятор

В регулируемых источниках питания будет добавлен стабилизатор для дальнейшего сглаживания напряжения постоянного тока и обеспечения стабильного выходного сигнала независимо от изменений входных уровней. С этим улучшенным регулированием также возникают дополнительные сложности и затраты на питание цепи. Вы найдете регуляторы в двух разных конфигурациях: шунтирующий регулятор или последовательный регулятор.

Шунтовой регулятор

В этой конфигурации стабилизатор подключается параллельно нагрузке, что обеспечивает постоянное протекание тока через регулятор до того, как он попадет на нагрузку. Если ток нагрузки увеличивается или уменьшается, шунтирующий регулятор будет либо уменьшать, либо увеличивать свой ток для поддержания постоянного напряжения и тока питания.

Шунтовые регуляторы подключаются параллельно нагрузке. (Источник изображения)

Регулятор серии

В этой конфигурации последовательный регулятор соединен последовательно с нагрузкой, которая обеспечивает переменное сопротивление. Этот регулятор будет последовательно измерять входное напряжение нагрузки, используя систему отрицательной обратной связи. Если выборка напряжения растет или падает, то последовательный регулятор либо снижает, либо увеличивает свое сопротивление, позволяя большему или меньшему току течь через нагрузку.

Последовательные регуляторы добавляют переменное сопротивление для управления током. (Источник изображения)

Типы блоков питания

Обычные блоки питания переменного/постоянного тока используют в своих схемах некоторые или все вышеперечисленные компоненты как нерегулируемые или регулируемые источники питания. Какой тип источника питания вы используете в своем проекте электроники, зависит от уникальных требований вашей конструкции.

Нерегулируемые источники питания

Эти блоки питания не имеют стабилизатора напряжения и обеспечивают установленное напряжение только при максимальном выходном токе. Здесь выходное напряжение постоянного тока связано с внутренним трансформатором напряжения, и выходное напряжение будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от выходного тока нагрузки. Эти источники питания известны своей надежностью и недорогой стоимостью, но не обеспечивают достаточной точности для чувствительных к мощности электронных устройств.

Нерегулируемые блоки питания содержат все стандартные компоненты, кроме стабилизатора.

Регулируемые блоки питания

Регулируемые блоки питания включают в себя все основные компоненты нерегулируемых блоков питания с добавлением регулятора напряжения. Обратите внимание на три конфигурации источника питания регулятора:

Линейный источник питания. В этой конфигурации используется полупроводниковый транзистор или полевой транзистор для управления выходным напряжением в определенном диапазоне. Хотя эти блоки питания не самые эффективные и выделяют много тепла, они известны своей надежностью, минимальным электрическим шумом и широкой доступностью в продаже.

Типичная схема линейного источника питания. (Источник изображения)

Источник питания с режимом переключения. В этой конфигурации используется полупроводниковый транзистор или полевой транзистор, который включается и выключается для подачи напряжения на выходной накопительный конденсатор. Режимы переключения, как правило, меньше и легче, чем линейные источники питания, имеют более широкий выходной диапазон и более эффективны. Однако они требуют сложной схемы, создают больше шума и требуют подавления помех для работы на высоких частотах.

Здесь мы можем видеть дополнительную сложность в схеме переключения режимов. (Источник изображения)

Батарея питания. Эта конфигурация действует как накопитель энергии и обеспечивает постоянный поток постоянного тока для электронного устройства. По сравнению с линейными и импульсными источниками питания батареи являются наименее эффективным методом питания устройств, и их также трудно согласовать с правильным напряжением нагрузки. Однако у батарей есть то преимущество, что они обеспечивают источник питания, когда сеть переменного тока недоступна, и не создают электрических помех.

При выборе блока питания для вашего следующего электронного проекта обратите внимание на следующие преимущества и недостатки нерегулируемых и регулируемых источников питания:

Простая схема
Надежность и экономичность

Напряжение зависит от потребляемого тока нагрузки.
Идеально подходит для устройств, работающих от фиксированного выходного тока/напряжения.

Постоянное напряжение
Выше качество
Улучшенная фильтрация шума.
Регулируемое выходное напряжение/ток

Выбирая между линейным, импульсным или регулируемым блоком питания, учитывайте следующее:

Стабильный и надежный
Меньше электрического шума
Хорошее регулирование линии и нагрузки.

Низкая эффективность
Требуются радиаторы большего размера.
Большие и тяжелые компоненты
Дорого

Маленький размер и легкий вес
Широкий диапазон входного напряжения
Высокая эффективность
Дешевле по сравнению с линейным.

Требуется более сложная схема.
Может загрязнить сеть переменного тока.
Более высокий уровень шума

Не требуется доступ к сети переменного тока.
Портативный источник питания

Фиксированное входное напряжение
Фиксированный срок службы
Выходное напряжение падает по мере использования резервов энергии

Технические характеристики блока питания, о которых нужно знать

Выбирая готовую схему блока питания вместо разработки собственной, необходимо знать несколько спецификаций. К ним относятся:

Выходной ток . Это максимальный ток, который блок питания может подавать на нагрузку.
Регулятор нагрузки . Это определяет, насколько хорошо регулятор может поддерживать постоянный выходной сигнал при изменении тока нагрузки, обычно измеряемого в милливольтах (мВ) или максимальном выходном напряжении.
Шум и рябь . Они измеряют нежелательные электронные помехи и колебания напряжения при преобразовании переменного тока в постоянный, обычно измеряемые в размахе напряжения для импульсных источников питания.
Защита от перегрузки. Это функция безопасности, которая отключает источник питания в случае короткого замыкания или перегрузки по току.
Эффективность. Это отношение мощности, преобразованной из сети переменного тока в постоянный ток.Высокоэффективные системы, такие как импульсные источники питания, могут достигать рейтинга эффективности 80 %, уменьшать тепловыделение и экономить энергию.

Постоянная конверсия

Блоки питания обеспечивают постоянную основу питания для всех наших электронных устройств, будь то ваш компьютер, смартфон или телевизор, список можно продолжить. Независимо от того, какой тип источника питания вы используете или проектируете, все они включают в себя несколько основных компонентов для преобразования сети переменного тока в устойчивый постоянный ток (DC). Трансформатор сначала понижает напряжение, которое затем выпрямляется до необработанного формата постоянного тока. Затем он фильтруется и регулируется, чтобы обеспечить плавное постоянное напряжение для стабильного выходного сигнала. При разработке собственной схемы блока питания рассчитывайте использовать эти основные компоненты вместе с уникальными характеристиками мощности для вашей конструкции, чтобы обеспечить стабильный выход постоянного тока в любое время суток.

Нужен разъем питания для предстоящего проекта по разработке электроники? У нас есть куча бесплатных библиотек! Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, например, от электросети, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.< /p>

Задачей блока питания является питание нагрузки надлежащим напряжением и током. Ток должен подаваться контролируемым образом — и с точным напряжением — к широкому диапазону нагрузок, иногда одновременно, не позволяя изменениям входного напряжения или других подключенных устройств влиять на выход.

Источник питания может быть внешним, что часто встречается в таких устройствах, как ноутбуки и зарядные устройства для телефонов, или внутренним, например в более крупных устройствах, таких как настольные компьютеры.

Источник питания может быть регулируемым или нерегулируемым. В регулируемом источнике питания изменения входного напряжения не влияют на выходное. С другой стороны, в нерегулируемом источнике питания выход зависит от любых изменений на входе.

Единственное, что объединяет все источники питания, это то, что они берут электроэнергию от источника на входе, каким-то образом преобразуют ее и передают на нагрузку на выходе.

Мощность на входе и выходе может быть переменного тока (AC) или постоянного тока (DC):

Постоянный ток (DC) возникает, когда ток течет в одном постоянном направлении. Обычно это происходит от батарей, солнечных элементов или преобразователей переменного тока в постоянный. Постоянный ток является предпочтительным типом питания для электронных устройств.
Переменный ток (AC) возникает, когда электрический ток периодически меняет свое направление. Переменный ток — это метод, используемый для доставки электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия.

Поэтому, если переменный ток используется в вашем доме, а постоянный ток необходим для зарядки телефона, вам понадобится блок питания переменного/постоянного тока, чтобы преобразовывать поступающее переменное напряжение. от электросети к напряжению постоянного тока, необходимому для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона.

Что такое переменный ток (AC)

Первым шагом при проектировании любого источника питания является определение входного тока. И в большинстве случаев источником входного напряжения электросети является переменный ток.

Типичной формой волны переменного тока является синусоида (см. рис. 1).`

Рисунок 1. Форма волны переменного тока и основные параметры

Есть несколько показателей, которые необходимо учитывать при работе с блоком питания переменного тока:

Пиковое напряжение/ток: максимальное значение амплитуды, которое может достичь волна.
Частота. Количество циклов волны в секунду. Время, необходимое для завершения одного цикла, называется периодом.
Среднее напряжение/ток: среднее значение всех точек, которые принимает напряжение в течение одного цикла. В чисто переменном токе без наложенного постоянного напряжения это значение будет равно нулю, поскольку положительная и отрицательная половины компенсируют друг друга.
Среднеквадратичное значение напряжения/тока: оно определяется как квадратный корень из среднего за один цикл квадрата мгновенного напряжения. В чистой синусоидальной волне переменного тока ее значение можно рассчитать с помощью уравнения (1): $$V_ \over \sqrt 2 $$
Его также можно определить как эквивалентную мощность постоянного тока, необходимую для получения того же эффекта нагрева. Несмотря на его сложное определение, он широко используется в электротехнике, поскольку позволяет найти действующее значение переменного напряжения или тока. Из-за этого его иногда обозначают как V_AC.
Фаза: угловая разница между двумя волнами.Полный цикл синусоиды делится на 360°, начиная с 0°, с пиками на 90° (положительный пик) и 270° (отрицательный пик) и дважды пересекая начальную точку, на 180° и 360°. Если две волны нанесены вместе, и одна волна достигает своего положительного пика в то же время, когда другая достигает своего отрицательного пика, тогда первая волна будет на 90 °, а вторая волна будет на 270 °; это означает, что разность фаз составляет 180°. Эти волны считаются противофазными, так как их значения всегда будут иметь противоположные знаки. Если разность фаз равна 0 °, мы говорим, что две волны совпадают по фазе.

Переменный ток (AC) — это способ передачи электроэнергии от генерирующих объектов к конечным потребителям. Он используется для передачи электроэнергии, поскольку в процессе транспортировки электричество необходимо несколько раз преобразовать.

Электрические генераторы производят напряжение около 40 000 В или 40 кВ. Затем это напряжение повышается до значений от 150 кВ до 800 кВ, чтобы снизить потери мощности при передаче электрического тока на большие расстояния. Как только он достигает места назначения, напряжение снижается до 4–35 кВ. Наконец, прежде чем ток достигнет отдельных пользователей, он снижается до 120 В или 240 В, в зависимости от местоположения.

Все эти изменения напряжения были бы либо сложными, либо очень неэффективными для постоянного тока (DC), поскольку линейные трансформаторы зависят от колебаний напряжения для передачи и преобразования электрической энергии, поэтому они могут работать только с переменным током (AC).

Линейный и импульсный источник питания переменного/постоянного тока

Линейный источник питания переменного/постоянного тока

Линейный блок питания переменного/постоянного тока имеет простую конструкцию.

При использовании трансформатора входное напряжение переменного тока (AC) снижается до значения, более подходящего для предполагаемого применения. Затем пониженное напряжение переменного тока выпрямляется и преобразуется в напряжение постоянного тока, которое фильтруется для дальнейшего улучшения качества сигнала (рис. 2).

Рисунок 2. Блок-схема линейного блока питания переменного/постоянного тока

Конструкция традиционного линейного источника питания переменного/постоянного тока с течением времени развивалась, улучшаясь с точки зрения эффективности, диапазона мощности и размера, но эта конструкция имеет некоторые существенные недостатки, которые ограничивают ее интеграцию.

Огромным ограничением линейного источника питания переменного/постоянного тока является размер трансформатора. Поскольку входное напряжение преобразуется на входе, необходимый трансформатор должен быть очень большим и, следовательно, очень тяжелым.

На низких частотах (например, 50 Гц) необходимы большие значения индуктивности для передачи большого количества энергии от первичной обмотки к вторичной. Это требует больших сердечников трансформатора, что делает миниатюризацию этих источников питания практически невозможной.

Другим ограничением линейных источников питания переменного/постоянного тока является стабилизация напряжения большой мощности.

В линейном источнике питания переменного/постоянного тока используются линейные стабилизаторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают любую дополнительную энергию в виде тепла. При малой мощности особых проблем не представляет. Однако при высокой мощности тепло, которое регулятор должен рассеивать для поддержания постоянного выходного напряжения, очень велико, и для этого потребуется установка очень больших радиаторов.

Переключение источника питания переменного/постоянного тока

Новая методология проектирования была разработана для решения многих проблем, связанных с проектированием линейных или традиционных источников питания переменного/постоянного тока, включая размер трансформатора и регулирование напряжения.

Импульсные источники питания теперь возможны благодаря развитию полупроводниковых технологий, особенно благодаря созданию мощных MOSFET-транзисторов, которые могут включаться и выключаться очень быстро и эффективно, даже при наличии больших напряжений и токов.< /p>

Переключаемый источник питания переменного/постоянного тока позволяет создавать более эффективные преобразователи энергии, которые больше не рассеивают избыточную мощность.

Источники питания переменного/постоянного тока, разработанные с использованием импульсных преобразователей мощности, называются импульсными источниками питания. Импульсные блоки питания переменного/постоянного тока имеют несколько более сложный метод преобразования мощности переменного тока в постоянный.

При переключении источников питания переменного тока входное напряжение больше не снижается; скорее, он выпрямляется и фильтруется на входе. Затем постоянное напряжение проходит через прерыватель, который преобразует напряжение в последовательность высокочастотных импульсов. Наконец, волна проходит через еще один выпрямитель и фильтр, который преобразует ее обратно в постоянный ток (DC) и устраняет любую оставшуюся составляющую переменного тока (AC), которая может присутствовать перед достижением выхода (см. рис. 3).

При работе на высоких частотах индуктор трансформатора способен передавать больше мощности, не достигая насыщения, а это означает, что сердечник может становиться все меньше и меньше.Таким образом, трансформатор, используемый при переключении источников питания переменного/постоянного тока для уменьшения амплитуды напряжения до заданного значения, может быть в несколько раз меньше размера трансформатора, необходимого для линейного источника питания переменного/постоянного тока.

Рисунок 3. Блок-схема импульсного блока питания переменного/постоянного тока

Как и следовало ожидать, у этого нового метода проектирования есть некоторые недостатки.

Переключение преобразователей мощности переменного/постоянного тока может создавать значительный уровень шума в системе, который необходимо устранить, чтобы исключить его присутствие на выходе. Это создает потребность в более сложной схеме управления, что, в свою очередь, усложняет конструкцию. Тем не менее, эти фильтры состоят из компонентов, которые можно легко интегрировать, поэтому это не оказывает существенного влияния на размер блока питания.

Трансформаторы меньшего размера и повышенная эффективность регулятора напряжения при переключении источников питания переменного/постоянного тока являются причиной того, что теперь мы можем преобразовывать переменное напряжение 220 В со среднеквадратичным значением в напряжение постоянного тока 5 В с помощью преобразователя мощности, который умещается на ладони.

В таблице 1 приведены различия между линейными и импульсными источниками питания переменного/постоянного тока.

Таблица 1. Линейные и импульсные источники питания

Однофазные и трехфазные источники питания

Источник переменного тока (AC) может быть однофазным или трехфазным:

Трехфазный источник питания состоит из трех проводников, называемых линиями, по каждому из которых протекает переменный ток (AC) той же частоты и амплитуды напряжения, но с относительной разницей фаз 120°, или одной трети цикл (см. рис. 4). Эти системы наиболее эффективны при подаче больших объемов электроэнергии и поэтому используются для доставки электроэнергии от генерирующих объектов в дома и на предприятия по всему миру.
Однофазный источник питания является предпочтительным методом подачи тока в отдельные дома или офисы, чтобы равномерно распределить нагрузку между линиями. При этом ток течет от питающей линии через нагрузку, затем обратно по нулевому проводу. Этот тип питания используется в большинстве установок, за исключением крупных промышленных или коммерческих зданий. Однофазные системы не могут передавать столько энергии на нагрузку и более подвержены перебоям в подаче электроэнергии, но однофазное питание также позволяет использовать гораздо более простые сети и устройства.

Рисунок 4. Форма сигнала трехфазного источника питания переменного тока

Существует две конфигурации для передачи электроэнергии через трехфазный источник питания: конфигурация треугольника $(\Delta)$ и звезда (Y), которые также называются треугольником и звездой соответственно.

Основное различие между этими двумя конфигурациями заключается в возможности добавления нейтрального провода (см. рис. 5).

Соединения треугольником обеспечивают большую надежность, но соединения Y могут обеспечивать два разных напряжения: фазное напряжение, которое представляет собой однофазное напряжение, подаваемое в дома, и линейное напряжение для питания больших нагрузок. Связь между фазным напряжением (или фазным током) и линейным напряжением (или линейным током) в Y-конфигурации заключается в том, что амплитуда линейного напряжения (или тока) в √3 раза больше, чем амплитуда фазы.

Поскольку стандартная система распределения электроэнергии должна подавать питание как к трехфазным, так и к однофазным системам, большинство сетей распределения электроэнергии имеют три линии и нейтраль. Таким образом, как дома, так и промышленное оборудование могут быть подключены к одной и той же линии электропередачи. Таким образом, конфигурация Y чаще всего используется для распределения электроэнергии, тогда как конфигурация треугольника обычно используется для питания трехфазных нагрузок, таких как большие электродвигатели.

Рис. 5. Трехфазные конфигурации Y и Delta

Напряжение, при котором электросеть поставляет своим пользователям однофазную электроэнергию, имеет различные значения в зависимости от географического положения. Вот почему очень важно проверить диапазон входного напряжения блока питания перед его покупкой или использованием, чтобы убедиться, что он предназначен для работы в электросети вашей страны. В противном случае вы можете повредить блок питания или подключенное к нему устройство.

В таблице 2 сравниваются напряжения сети в разных регионах мира.

*В Японии есть две частоты в национальной сети из-за того, что электрификация началась в конце 19 века. В западном городе Осака поставщики электроэнергии закупили генераторы на 60 Гц в США, а в Токио, на востоке Японии, они купили немецкие генераторы на 50 Гц. Обе стороны отказались менять свою частоту, и по сей день в Японии все еще есть две частоты: 50 Гц на востоке и 60 Гц на западе.

Как упоминалось ранее, трехфазное питание используется не только для транспорта, но и для питания больших нагрузок, таких как электродвигатели или зарядка больших аккумуляторов. Это связано с тем, что параллельное питание в трехфазных системах может передавать гораздо больше энергии на нагрузку и может делать это более равномерно из-за перекрытия трех фаз (см. рис. 6).

Рисунок 6. Передача электроэнергии в однофазной (слева) и трехфазной (справа) системах

Например, при зарядке электромобиля количество энергии, которое вы можете передать аккумулятору, определяет скорость его зарядки.

Однофазные зарядные устройства подключаются к сети переменного тока (AC) и преобразуются в постоянный ток (DC) внутренним преобразователем переменного тока в постоянный (также называемым бортовым зарядным устройством). Мощность этих зарядных устройств ограничена сетью и розеткой переменного тока.

Ограничение зависит от страны, но обычно составляет менее 7 кВт для розетки на 32 А (в ЕС 220 x 32 А = 7 кВт). С другой стороны, трехфазные источники питания преобразуют мощность переменного тока в постоянный извне и могут передавать более 120 кВт на батарею, обеспечивая сверхбыструю зарядку.

Обзор

Источники питания переменного/постоянного тока повсюду. Основная задача источника питания переменного/постоянного тока заключается в преобразовании переменного тока (AC) в стабильное напряжение постоянного тока (DC), которое затем можно использовать для питания различных электрических устройств.

Переменный ток используется для передачи электроэнергии по всей электрической сети, от генераторов до конечных потребителей. Цепь переменного тока (AC) может быть сконфигурирована как однофазная или трехфазная система. Однофазные системы проще и могут обеспечивать достаточно энергии для питания всего дома, но трехфазные системы могут обеспечивать гораздо большую мощность более стабильным образом, поэтому они часто используются для подачи электроэнергии в промышленных целях.

Разработка эффективного блока питания переменного/постоянного тока — непростая задача, поскольку современные рынки требуют мощных, чрезвычайно эффективных и миниатюрных блоков питания, способных поддерживать эффективность в широком диапазоне нагрузок.

Методы проектирования источников питания переменного/постоянного тока со временем менялись. Линейные блоки питания переменного/постоянного тока ограничены по размеру и эффективности, поскольку они работают на низких частотах и регулируют выходную температуру, рассеивая избыточную энергию в виде тепла. Напротив, импульсные источники питания стали чрезвычайно популярными, поскольку в них используются импульсные стабилизаторы для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные блоки питания работают на более высоких частотах и преобразовывают электроэнергию гораздо эффективнее, чем в предыдущих конструкциях, что позволило создать мощные блоки питания переменного/постоянного тока размером с ладонь.

- обзор основ электроники в схемах электропитания с подробным описанием строительных блоков, используемых в источниках питания, и используемых методов.

Источники питания являются важным элементом многих элементов электронного оборудования. В то время как некоторые питаются от батареи, другим требуется питание от сети, а электронная схема и конструкция источника питания имеют первостепенное значение для успешной работы всего оборудования.

Схемы электроники источника питания можно разделить на несколько секций или составных блоков. Каждая из них важна для работы блока питания в целом, но каждая секция электроники блока питания должна удовлетворительно выполнять свои функции для успешной работы всего устройства.

ВНИМАНИЕ! Многие блоки питания содержат сетевое или линейное напряжение, которое может быть опасным. При работе с этими цепями необходимо соблюдать крайнюю осторожность, так как поражение электрическим током может привести к летальному исходу. Только квалифицированный персонал должен иметь дело с внутренней схемой электронных цепей источника питания.

Типы питания электроники

Существует три основных типа источников питания, которые можно использовать. У каждого ясеня есть свои преимущества и недостатки, поэтому каждый из них используется в немного разных обстоятельствах.

Выпрямленный и сглаженный источник питания. Эти источники питания для электроники относятся к простейшим типам и обычно используются в некритических приложениях, где производительность не является серьезной проблемой. Этот тип источника питания широко использовался в термоэмиссионном вентильном или ламповом оборудовании, так как регулировать подачу питания было не так просто, а требования часто были не столь критичны.
Источник питания с линейной стабилизацией. Этот источник питания для электронных устройств обеспечивает очень высокий уровень производительности. Однако тот факт, что в нем используется элемент последовательного регулятора, означает, что он может быть сравнительно неэффективным, рассеивая значительную часть входной мощности в виде тепла.Тем не менее, эти источники питания могут обеспечивать очень высокий уровень регулирования при низких значениях пульсаций и т. д. . . . . Узнайте больше о линейных источниках питания.
Источник питания с режимом переключения: в этом виде источника питания электронные схемы используют технологию переключения для регулирования выходного сигнала. Хотя на выходе присутствуют пики, они обеспечивают очень высокий уровень эффективности и, ввиду этого, могут содержаться в гораздо меньших упаковках, чем их линейные эквиваленты. <я>. . . . Узнайте больше об импульсных источниках питания, SMPS.

Каждый из различных типов источников питания используется для различных типов приложений в соответствии с их преимуществами. Как таковые, все они широко используются, но в разных областях электроники.

Каждый тип строительных блоков и источников питания более подробно описан на других страницах этого веб-сайта. Ссылки на эти страницы можно найти в левой части страницы под главным меню в разделе «Статьи по теме».

Основные блоки электроники блока питания

Источник питания можно разделить на несколько элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию в рамках общего источника питания. Естественно, эти области могут быть довольно произвольными и могут немного отличаться в зависимости от фактической конструкции источника питания, но их можно использовать в качестве приблизительного общего руководства.

Фильтрация входной мощности: в некоторых случаях необходимо убедиться, что пики из линии питания не попадают в блок питания, а шум, который может быть создан блоком питания, не попадает в линии питания. Для этого на входе источника питания размещена схема для устранения шума и ограничения влияния входящих пиков. Во многих случаях фильтрация на этом этапе минимальна, хотя для специализированных источников питания могут использоваться более сложные схемы.
Входной трансформатор: если используется источник питания, использующий сеть / линейные источники переменного тока 110 или 240 вольт, то вход обычно имеет трансформатор для преобразования входящего линейного напряжения до требуемого уровня для конструкции источника питания.
Выпрямитель: необходимо преобразовать входящий сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. Это достигается с помощью схемы выпрямителя переменного тока. Можно использовать два типа схемы выпрямителя - двухполупериодный и двухполупериодный. Они эффективно блокируют часть сигнала в одном направлении и пропускают часть сигнала в другом направлении. Выпрямляющее действие диода

Примечание о схемах диодного выпрямителя:

Схемы диодного выпрямителя используются во многих областях, от сетевых источников питания до демодуляции радиочастот. В схемах диодного выпрямителя используется способность диода пропускать ток только в одном направлении. Существует несколько вариантов от полуволнового до двухполупериодного, мостовые выпрямители, пиковые детекторы и многое другое.

Подробнее о Схемах диодного выпрямителя

Не все из этих блоков электроники используются в каждом блоке питания. Большинство из них будут иметь трансформатор, сглаживание и регулятор, но другие элементы могут быть включены или не включены в зависимости от спецификации.

Технические характеристики блока питания

При покупке или выборе блока питания необходимо проверить характеристики и понять, что они означают. Все, от номинальных напряжений и токов до пульсаций, регулирования нагрузки, регулирования входного напряжения и т. п.

Источники питания, будь то просто сглаженные, регулируемые с помощью линейного или импульсного регулятора, широко используются. Подход с импульсным регулятором используется наиболее широко, особенно в компьютерах и очень многих других элементах электронного оборудования. Для этой функции доступно множество ИС, они легкие, эффективные и очень экономичные.

В некоторых приложениях использование одного источника питания может быть недостаточным для обеспечения питания, необходимого нагрузке. Причины использования нескольких источников питания могут включать резервирование для повышения надежности или увеличения выходной мощности. При обеспечении комбинированного питания необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить сбалансированное питание всех источников.

Источники питания подключены для резервирования

Резервные источники питания — это топология, в которой выходы нескольких источников питания соединяются для повышения надежности системы, но не для увеличения выходной мощности. Конфигурации с резервированием обычно предназначены для получения выходного тока только от основных источников питания и для получения тока от резервных источников питания в случае отказа одного из основных источников питания. Поскольку потребляемый ток нагрузки создает нагрузку на компоненты источника питания, высокая надежность системы достигается, когда ток не потребляется от резервных источников до тех пор, пока не возникнет проблема с одним из основных источников.

Источники питания A и B аналогичны; Vout и максимальный Iout одинаковы
Напряжение нагрузки равно напряжению питания.
Максимальный ток нагрузки равен максимальному выходному току одного источника питания.
Электронный переключатель подключает один из выходов питания к нагрузке.

Источники питания с параллельными выходами

Общая топология, используемая для увеличения выходной мощности, заключается в параллельном подключении выходов двух или более источников питания. В этой конфигурации каждый источник питания обеспечивает требуемое напряжение нагрузки, а параллельное подключение источников увеличивает доступный ток нагрузки и, следовательно, доступную мощность нагрузки.

Эту топологию можно успешно внедрить, но есть много соображений, обеспечивающих эффективность конфигурации. Для параллельных конфигураций предпочтительнее источники питания с внутренними цепями, так как внутренние цепи повышают эффективность распределения тока. Если источники питания, используемые в приложении для разделения тока, не имеют внутренних цепей разделения, необходимо использовать внешние методы, которые могут быть менее эффективными.

Главная проблема заключается в том, насколько равномерно распределяется ток нагрузки между источниками питания. Распределение тока нагрузки зависит как от конструкции источников питания, так и от конструкции внешней цепи и проводников, используемых для параллельного соединения выходов источников питания. Почти всегда при параллельном подключении используются идентичные источники питания из-за проблем с эффективной настройкой источников питания. Однако возможно параллельное подключение источников питания с соответствующими выходными напряжениями и несовпадающими максимальными выходными токами.

Более подробное обсуждение параллельного подключения блоков питания можно найти в нашем техническом документе «Распределение тока с блоками питания».

Источники питания A и B должны иметь одинаковое значение Vout; Максимальный Iout может быть разным
Напряжение нагрузки равно напряжению питания.
Максимальный ток нагрузки равен сумме максимального выходного тока обоих источников питания.
Схемы контроля тока уравновешивают ток нагрузки между источниками питания.

Источники питания с последовательно соединенными выходами

Еще один способ получить большую мощность, подаваемую на нагрузку, — подключить выходы нескольких источников питания последовательно, а не параллельно. Некоторые из преимуществ использования последовательной топологии включают в себя: почти идеальное использование мощности, подаваемой между источниками, отсутствие необходимости в настройке или совместном использовании цепей, а также устойчивость к большому разнообразию приложений. Как упоминалось ранее, при параллельном соединении выходов источников питания каждый источник обеспечивает требуемое напряжение, а ток нагрузки распределяется между источниками. Для сравнения, когда выходы источников питания соединены последовательно, каждый источник обеспечивает требуемый ток нагрузки, а выходное напряжение, подаваемое на нагрузку, будет представлять собой комбинацию источников питания, соединенных последовательно.

Следует отметить, что когда блоки питания настроены с выходами, соединенными последовательно, источники питания не должны иметь одинаковые выходные характеристики. Ток нагрузки будет ограничен наименьшим допустимым током нагрузки любого из источников питания в конфигурации, а напряжение нагрузки будет суммой выходных напряжений всех источников питания в цепочке.

Есть несколько ограничений, накладываемых на блоки питания, когда они используются в конфигурации с последовательным выходом. Одно из ограничений заключается в том, что выход источников питания должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать смещение напряжения из-за последовательной конфигурации. Это напряжение смещения обычно не представляет проблемы, но выходные напряжения источников питания с заземлением не могут суммироваться с выходами других источников. Второе ограничение заключается в том, что на выход источника питания может быть подано обратное напряжение, если выход не активен, когда остальные выходы в цепочке активны. Проблема обратного напряжения может быть легко решена путем размещения диода с обратным смещением на выходе каждого источника питания. Номинальное напряжение пробоя диода должно быть больше выходного напряжения отдельного источника, а номинальный ток диода должен быть больше максимального выходного тока любого источника питания в последовательной цепи.

Источники питания A и B могут иметь разные максимальные значения Vout и Iout
Напряжение нагрузки равно сумме выходных напряжений источника питания.
Максимальный ток нагрузки равен меньшему из значений максимального выходного тока любого источника.
Диоды обратного смещения защищают выходы источников питания.

Обзор

Источники питания подключены параллельно:

Плохое использование мощности из-за допусков управления распределением тока между источниками.
Для управления распределением тока между источниками требуется специальная схема.
Чувствителен к дизайну и конструкции проводников, соединяющих источники питания параллельно
Наиболее простая конструкция с аналогичными источниками питания.

Источники питания соединены последовательно:

Эффективное использование энергии ограничено только точностью выходного напряжения каждого источника.
Не требуется никаких цепей для управления распределением напряжения или тока между источниками питания.
Не зависит от конструкции или конструкции проводников, соединяющих источники питания последовательно
Легко конструируется с любой комбинацией блоков питания.

Хотя общий метод, используемый для увеличения мощности нагрузки, подаваемой от источников питания, заключается в параллельном соединении выходов, другим решением может быть последовательное соединение выходов нескольких источников питания. У поставщиков блоков питания, таких как CUI, есть технический персонал, который может помочь настроить приемлемое решение для этих и других проблем с приложениями питания.

Читайте также: