Ввод и вывод на блоке питания, что это значит

Обновлено: 05.07.2024

Блок питания вашего ПК обеспечивает все напряжения, необходимые вашему компьютеру для правильной работы. См. другие изображения компьютерного оборудования.

Если есть какой-либо компонент, который абсолютно необходим для работы компьютера, так это блок питания. Без него компьютер — просто инертная коробка, наполненная пластиком и металлом. Блок питания преобразует линию переменного тока (AC) вашего дома в постоянный ток (DC), необходимый для персонального компьютера. В этой статье мы узнаем, как работают блоки питания для ПК и что означают номинальные мощности.

В персональном компьютере (ПК) блок питания представляет собой металлическую коробку, обычно расположенную в углу корпуса. Блок питания виден с задней стороны многих систем, поскольку он содержит разъем для шнура питания и охлаждающий вентилятор.

Напряжения 3,3 и 5 В обычно используются в цифровых схемах, а напряжение 12 В — для двигателей дисковых накопителей и вентиляторов. Основная спецификация блока питания указана в ваттах. Ватт – это произведение напряжения в вольтах и силы тока в амперах или амперах. Если вы были с ПК в течение многих лет, вы, вероятно, помните, что у первых ПК были большие красные тумблеры, которые имели приличный вес. Когда вы включали или выключали компьютер, вы знали, что делаете это. Эти переключатели фактически контролировали подачу напряжения 120 В к источнику питания.

Сегодня вы включаете питание с помощью маленькой кнопки, а выключаете машину с помощью пункта меню. Эти возможности были добавлены к стандартным блокам питания несколько лет назад. Операционная система может отправить сигнал блоку питания, чтобы он выключился. Кнопка посылает 5-вольтовый сигнал на блок питания, чтобы сообщить ему, когда включать. Блок питания также имеет схему, которая подает 5 вольт, называемую VSB для «напряжения в режиме ожидания», даже когда он официально «выключен», так что кнопка будет работать. Подробнее о технологии видеомикшера см. на следующей странице.

На этом фото вы можете видеть три маленьких трансформатора (желтые) в центре. Слева два цилиндрических конденсатора. Большие ребристые куски алюминия являются радиаторами. К левому радиатору прикреплены транзисторы. Это транзисторы, отвечающие за переключение — они обеспечивают высокочастотную мощность для трансформаторов. К правому радиатору прикреплены диоды, которые выпрямляют сигналы переменного тока и превращают их в сигналы постоянного тока.

Примерно до 1980 года блоки питания были тяжелыми и громоздкими. Они использовали большие, тяжелые трансформаторы и огромные конденсаторы (некоторые размером с банку из-под газировки) для преобразования линейного напряжения 120 В и 60 Гц в 5 В и 12 В постоянного тока.

Используемые сегодня импульсные блоки питания намного меньше и легче. Они преобразуют ток с частотой 60 Гц (Гц или циклов в секунду) в гораздо более высокую частоту, что означает большее количество циклов в секунду. Это преобразование позволяет небольшому легкому трансформатору в блоке питания выполнять фактическое понижение напряжения со 110 вольт (или 220 в некоторых странах) до напряжения, необходимого для конкретного компонента компьютера. Переменный ток более высокой частоты, обеспечиваемый блоком питания коммутатора, также легче выпрямлять и фильтровать по сравнению с исходным сетевым напряжением переменного тока частотой 60 Гц, что снижает колебания напряжения для чувствительных электронных компонентов компьютера.

Источник питания коммутатора потребляет от сети переменного тока только необходимую ему мощность. Типичные значения напряжения и силы тока, обеспечиваемые блоком питания, указаны на этикетке блока питания.

Технология коммутаторов также используется для преобразования постоянного тока в переменный ток, как во многих автомобильных инверторах, используемых для питания устройств переменного тока в автомобиле, и в источниках бесперебойного питания. Технология Switcher в автомобильных инверторах преобразует постоянный ток от автомобильного аккумулятора в переменный ток. Трансформатор использует переменный ток, чтобы трансформатор в инверторе повышал напряжение до напряжения бытовых приборов (120 В переменного тока).

Я пытаюсь получить приблизительное представление о том, сколько электроэнергии я потребляю в своем домашнем офисе.

Я понимаю, что есть много способов измерить такие вещи:

Отключите все остальное во всех других комнатах. Отключите другие автоматические выключатели и следите за счетчиком энергопотребления.
Измерение с помощью устройства (например, Kill-a-Watt)

В отсутствие этого я хотел бы получить приблизительное представление, проверив адаптеры питания для различных устройств. Когда я проверяю адаптеры питания, я вижу такие вещи, как «вход» и «выход». Кто из них на самом деле рисует из моего дома?

Означает ли это, что устройство потребляет 0,24 А? Или 1,5 ампера?

Я подозреваю, что "выход" относится к постоянному току и на самом деле не потребляет столько энергии, поэтому мне, вероятно, следует смотреть на "вход".

2 ответа 2

Адаптеры питания преобразуют электричество из одного напряжения в другое, а иногда и между переменным и постоянным.

Быстрый ответ на ваш вопрос — умножить ВХОДНОЕ напряжение на ВХОДНОЙ ток. В этом случае у вас, вероятно, есть входное напряжение 120 В (если вы находитесь в США). Таким образом, МАКСИМАЛЬНАЯ мощность будет 120 * 0,24 = 29 Вт, хотя фактическое энергопотребление, вероятно, меньше этого. С эффективными источниками питания будет лучше смотреть на электрические требования вашего устройства, а не на максимальную номинальную мощность источника питания. Например, если устройство потребляет 1,2 А при напряжении 5 В постоянного тока, оно будет потреблять максимум около 6 Вт. Я бы умножил это число примерно на 1,2, чтобы учесть неэффективность источника питания, поэтому ваша система может потреблять максимум около 7,2 Вт.< /p>

И вот некоторая связанная информация об эффективности блока питания, которая имеет отношение к вопросу (которую я написал перед тем, как внимательно прочитать вопрос):

ВХОД — это то, какую электрическую систему вам нужно подключить к адаптеру (т. е. то, что поставляет ваша энергокомпания).

ВЫХОД — это то, что поступает на ваше устройство.

Обратите внимание, что количество электроэнергии постоянного тока рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P=I·V). Для переменного тока это произведение представляет собой максимальную мощность, которую можно использовать, хотя фактическая величина может быть ниже из-за коэффициента мощности (P=I·V·PF), а коэффициент мощности обычно составляет от 0,7 до 1,0 (за исключением некоторых моторы).

Из-за неэффективности адаптера питания не вся входная мощность может быть выведена. Эта дополнительная мощность превращается в тепло. Таким образом, входная мощность всегда больше, чем выходная мощность.

В вашем примере адаптер питания рассчитан на максимальную мощность 58 Вт (0,24*240), но может выдавать только 5*1,5=7,5 Вт. Таким образом, в худшем случае, судя по этикетке, он будет потреблять 58 Вт. , но подайте на ваше устройство только 7,5 Вт, поэтому эффективность составляет около 13%. Эффективность определяется как выходная мощность, деленная на входную мощность.

Блоки питания обычно не потребляют максимальную мощность во время использования: они пытаются потреблять только то количество энергии, которое требуется устройству. Таким образом, этот адаптер обычно не будет потреблять 58 Вт. Фактически, современные блоки питания будут потреблять менее 1 Вт при подключении к сети с выключенным устройством и имеют неэффективность> 90%. Таким образом, знание максимума не говорит вам об их типичном использовании.

Одним из быстрых способов проверки эффективности является проверка температуры блока питания. Чем горячее блок питания (при подключении к сети), тем менее он эффективен.

При выборе блока питания для снижения энергопотребления обращайте внимание на его эффективность, а не на энергопотребление. Новые источники питания должны быть оценены в соответствии с их потреблением энергии с использованием римских цифр (I, II, III, IV, V) на основе международного стандарта. Класс V в настоящее время является лучшим рейтингом эффективности и будет означать, что потребляемая мощность будет наиболее близка к подаваемой мощности, и в этом случае вам следует посмотреть на требуемое напряжение и ток устройств, чтобы получить представление об используемой мощности.

Источники питания имеют как входное, так и выходное напряжение, поэтому часто имеют соответствующие входные и выходные разъемы. Широкий спектр разъемов, доступных для передачи входной и выходной мощности, невозможно описать в одном документе. Вместо этого в этом обсуждении основное внимание будет уделено однофазным розеткам переменного и постоянного тока и настольным источникам питания с розетками переменного тока (вход) и разъемами питания постоянного тока (выход). Разъемы настенного питания переменного тока стандартизированы, как и соответствующие напряжения и максимальные токи, поэтому обсуждение этих разъемов значительно упрощается. Выходные разъемы постоянного тока гораздо менее стандартизированы, поэтому будет обсуждаться только общедоступное подмножество разъемов.

Настенные розетки и шнуры переменного тока

Выбор штепсельной вилки переменного тока, как правило, прост и сводится к двум критериям: 1) в каких регионах и/или странах предназначен блок питания, 2) требуются ли для приложения два проводника или три проводника. В большинстве стран есть четко определенные комбинации вилок и розеток, напряжения и частоты. Поскольку напряжения в настенных розетках стандартизированы, разъемы питания переменного тока имеют аналогичные номиналы, чтобы обеспечить достаточную изоляцию для стандартных напряжений. Максимальный номинальный ток для разъемов также стандартизирован, при этом разные номиналы часто используют физически разные контакты разъема, так что несоответствующие комбинации вилок и розеток не могут быть задействованы.

Для настольных адаптеров подключение к сети переменного тока осуществляется с помощью шнура, тогда как сетевой адаптер будет иметь встроенную вилку. Многие продукты со шнурами питания переменного тока имеют стандартный вход переменного тока на корпусе продукта, к которому подключается шнур питания. С помощью этих продуктов можно подключаться к настенным розеткам различных типов (в разных регионах или странах), заменив шнур питания переменного тока на шнур с соответствующей конфигурацией настенной вилки.Некоторые адаптеры питания с настенным креплением имеют аналогичную функцию, но вместо замены шнура питания используются взаимозаменяемые блейд-модули для разных регионов или стран.

Типы вилок переменного тока

Международная электротехническая комиссия (МЭК) публикует руководство, в котором вилки классифицируются по буквенным обозначениям. Хотя в этом руководстве хорошо сгруппированы типы вилок, оно не учитывает все возможные нюансы и варианты. Например, вилка типа A (используемая в Северной Америке, Центральной Америке и Японии) обычно поляризована (нейтральный контакт шире) в Северной Америке, однако это не всегда так в Японии. Это означает, что японские вилки обычно работают в Северной Америке, но не всегда наоборот. Информацию о международных типах вилок см. в нашем Руководстве по вилкам и входному напряжению.

Японская вилка типа A с двумя узкими лопатками (слева) и североамериканская вилка типа A с узкими и широкими лопатками (справа)

Два проводника против трех проводников

На большинстве международных рынков однофазное питание переменного тока стандартизировано для подачи с тремя проводниками, хотя не во всех приложениях используются все три проводника. Три проводника состоят из двух силовых проводников и третьего проводника защитного заземления (PE), заземления корпуса (FG) или защитного заземления. Подача питания осуществляется с помощью двух силовых проводников, а заземляющий проводник присутствует для повышения безопасности от опасного напряжения.

Современные конструкции источников питания, в которых используется двухпроводная вилка, имеют достаточную изоляцию для обеспечения безопасности конструкции без необходимости использования заземляющего проводника. В статьях CUI, описывающих изоляцию, изоляцию и рабочее напряжение, а также в чем разница между источниками питания класса 2 и класса II, содержится дополнительная информация по этой теме.

Строка и нейтральная линия по сравнению с линией 1 и строкой 2

Во многих однофазных приложениях переменного тока силовые проводники помечены либо как Линия и Нейтраль, либо как Линия 1 и Линия 2. Потенциал напряжения нейтрального проводника должен быть близок к потенциалу местного заземления и поэтому его иногда считают «более безопасным», чем линейное напряжение. Как упоминалось ранее в этом обсуждении, в североамериканской сетевой вилке типа А используется более широкая лопатка для нейтрального проводника и более узкая лопатка для линейного проводника. Соответствующие прорези в настенной розетке для Северной Америки позволяют идентифицировать линейный и нулевой проводники на нагрузке. Следует отметить, что многие вилки и розетки переменного тока (кроме североамериканской версии типа A) могут быть подключены с перепутанными линейным и нейтральным проводниками (например, ранее описанный японский разъем типа A) и, таким образом, большинство нагрузок для международных рынков. не делайте различий между линейным и нейтральным входными проводами переменного тока.

Когда используются проводники линии 1 и линии 2, напряжения двух проводников часто уравновешиваются относительно потенциала земли. Нейтральный проводник не используется, когда питание передается по проводникам линии 1 и линии 2.

Разъемы питания постоянного тока

Существует множество стандартов для разъемов постоянного тока и, возможно, еще больше версий нестандартных разъемов. Стандартные разъемы, которые мы обсудим, — это цилиндрические разъемы, разъемы DIN и разъемы USB.

Некоторые функции, связанные с тремя категориями выходных разъемов питания постоянного тока, перечислены ниже:

< td >Более высокая сила тока

Разъемы типа Barrel	Разъемы DIN	Разъемы USB
Стандартный	Стандартный	Стандартный
Недорогой	Компактность
Ориентация не требуется	Долговечность	Передача сигнала

Бочкообразные соединители

Бочкообразные разъемы, возможно, являются наиболее распространенной конструкцией разъемов питания постоянного тока, поскольку они недороги в производстве из-за нестрогих механических допусков и не требуют ориентации при соединении их вместе.

Самая распространенная форма цилиндрических соединителей представляет собой вилки, состоящие из концентрических металлических гильз (цилиндров), разделенных изолятором. Доступно множество стандартных диаметров как для внутренней, так и для внешней втулки, а также длины цилиндра плунжера. Существуют общие комбинации диаметров и длин, но инженеру-конструктору все же необходимо будет указать желаемые размеры заглушек, используемых в их продуктах.

Ствол ствола с внутренним диаметром 2,1 мм, внешним диаметром 5,5 мм, длиной ствола 9,5 мм

Соответствующий бочкообразный домкрат имеет штифт, который входит во внутреннюю втулку вилки, часто с небольшим механическим зазором, и консольную пружину, которая контактирует с внешней втулкой вилки.Как и цилиндрический плунжер, цилиндрический домкрат имеет размеры, соответствующие диаметру центрального штифта, внутреннему диаметру корпуса и глубине вставки плунжера.

Когда цилиндрический плунжер вставляется в домкрат, пружина в домкрате давит на внешнюю втулку вилки и заставляет центральный штифт на домкрате соприкасаться с внутренней втулкой вилки. При выборе размеров вилки и разъема необходимо обеспечить желаемую механическую посадку и правильность электрических соединений.

Электрические соединения штепсельной вилки и гнезда

Хотя характеристики цилиндрического соединителя делают его пригодным для многих приложений, существуют также некоторые проблемы, связанные с конструкцией цилиндрических соединителей. Механический допуск между центральным штифтом домкрата и внутренней втулкой вилки не нормируется. Точно так же сила, с которой консольная пружина домкрата давит на внешнюю втулку вилки, не нормируется. Это отсутствие стандартизации означает, что усилия вставки и удерживания между вилкой и гнездом трудно определить, и они варьируются в широком диапазоне. В стандартных цилиндрических соединителях нет механического удерживающего механизма для соединения, поэтому соединение может случайно разорваться. Решением, обеспечивающим сохранение соединения, является использование фиксирующих цилиндрических соединителей. Цилиндрические соединители с замком доступны как с резьбовым, так и с поворотным замком.

Резьбовые и поворотные цилиндрические соединители

Номинальный ток цилиндрических соединителей определяется усилием и площадью поверхности между консольной пружиной и внешней втулкой, а также между внутренним штифтом и внутренней втулкой. Легкие силы и небольшие площади поверхности ограничивают номинальные токи разъемов.

Бочкообразные соединители доступны с различными внутренними и внешними диаметрами проводников. Хотя не существует стандартов для комбинаций внутреннего и внешнего диаметров, разработчики продуктов могут указать размеры, чтобы они соответствовали существующим продуктам или отличались от других продуктов. Два наиболее распространенных размера цилиндрических соединителей: внешний диаметр втулки 5,5 мм и внутренний диаметр втулки 2,1 мм и внешний диаметр втулки 5,5 мм и внутренний диаметр втулки 2,5 мм.

Стандартные цилиндрические плунжеры CUI: (вверху) внешний диаметр (в середине) внутренний диаметр (внизу) обозначение номера детали CUI

Конвенция эволюционировала с внешним проводником в качестве земли или отрицательного напряжения и внутреннего проводника в качестве положительного напряжения. Преимущество этой конфигурации заключается в том, что если внешняя вилка муфты касается оголенного проводника, то оголенный проводник будет соединен с землей, а не с каким-либо другим электрическим потенциалом. Это соглашение не всегда соблюдается, и некоторые группы разработчиков продуктов размещают положительный потенциал на внешнем проводнике, а отрицательный потенциал — на внутреннем проводнике.

Обозначения полярности штекера

Выбор шнура питания, соответствующего разъему питания, является наиболее распространенной конфигурацией, используемой в отрасли. Эта конфигурация проста в изготовлении и позволяет пользователю более удобно выравнивать разъем при соединении. Тем не менее, есть приложения, в которых может быть предпочтительнее прямоугольная конфигурация вилки. Одной из причин выбора прямоугольной вилки может быть желание, чтобы силовой кабель постоянного тока оставался ближе к корпусу, когда он вставляется в вилку, и, таким образом, позволяет уменьшить физическую площадь, занимаемую изделием. Еще одна причина выбора прямоугольного плунжера заключается в том, чтобы обеспечить фиксацию между двумя половинами соединения ствола. Поскольку шнур питания находится под прямым углом к разъему, сила, натягивающая шнур, вызовет крутящий момент на цилиндрическом разъеме, что затруднит отсоединение разъема. Также можно закрепить шнур под крюком или защелкой на корпусе изделия, чтобы усилие натяжения кабеля не передавалось на вилку.

Прямые и угловые заглушки

Разъемы DIN

Разъемы питания DIN представляют собой разъемы с четырьмя штыревыми или гнездовыми контактами, заключенными в круглый корпус. Эти соединители были первоначально определены немецкой организацией по стандартизации (Deutsches Institut fur Normung) и, следовательно, получили название соединителей DIN, но теперь они определяются IEC 60130-9. Разъемы Power DIN часто используются в приложениях средней мощности, когда цилиндрические разъемы не могут выдерживать требуемый ток. Часто существует путаница между силовыми разъемами DIN и сигнальными разъемами DIN. Не существует абсолютного определения силового разъема DIN, но по соглашению силовые разъемы DIN имеют четыре контакта, расположенных примерно под углом 90 градусов вокруг центра разъема. Хотя размеры контактов и разъемов трудно найти в документации, можно предположить, что 4-контактные вилки и разъемы питания DIN подключаются правильно. Разъемы Power DIN также можно найти с резьбовым замком, как и цилиндрические разъемы.

Вилка и разъем питания DIN

USB-разъемы

Разъемы USB изначально были разработаны для подачи питания постоянного тока и цифровых сигналов. Широкое признание уровня напряжения питания USB и разъемов также сделало их популярными только для приложений питания. Разъем типа A является, пожалуй, самым популярным разъемом USB в настоящее время, и его можно найти в приложениях, требующих 5 В постоянного тока с уровнями тока нагрузки менее 2 А. Варианты разъема USB типа A (мини, микро и т. д.) .) также используются в аналогичных приложениях подачи энергии. Одно ограничение разъема типа A и его вариантов заключается в том, что существует только одна ориентация разъемов, в которой они будут правильно подключаться. Это ограничение требует, чтобы пользователь определял правильную ориентацию вилки и разъема либо путем визуальной идентификации, либо путем попыток вставки.

Разъем USB Type-C более компактен, и его можно вставлять в любом из двух очевидных направлений. Разъемы Type-C могут передавать более высокие уровни мощности, чем предыдущие версии разъемов USB, и рассчитаны на максимальное напряжение 20 В при 5 А. Пожалуйста, ознакомьтесь со статьей пользовательского интерфейса USB Type-C, подача питания и программируемый источник питания, чтобы получить лучшее понимание спецификаций USB Power Delivery (PD) и Programmable Power Supply (PPS), используемых для подачи более высоких напряжений и токов. Хотя разработчики продуктов могут выбрать любой разъем для штекера питания постоянного тока, многие электронные продукты используют входные разъемы питания USB для получения 5 В постоянного тока. Из-за этой распространенной практики разумно использовать разъемы USB только с источниками питания с номинальным выходным напряжением 5 В постоянного тока, чтобы не повредить многие продукты, использующие разъемы питания USB, которые ожидают 5 В от разъема. Исключением из этой рекомендации является то, что если используется разъем USB типа C, то спецификации USB PD и PPS допускают согласование питания и нагрузки при напряжении от 5 В до 20 В.

Обзор

Помимо электрических характеристик входных и выходных напряжений и токов источников питания, для источников питания также должны быть указаны разъемы. Входные разъемы переменного тока достаточно хорошо стандартизированы и, таким образом, ограничены в выборе для предполагаемых уровней мощности и международных рынков. Напротив, выходные разъемы постоянного тока не так стандартизированы, и поэтому разработчику приходится принимать гораздо больше решений. Выходная вилка питания постоянного тока должна быть рассчитана на выходное напряжение и ток и должна соответствовать желаемым механическим характеристикам продукта. В CUI есть сотрудники службы технической поддержки и поддержки продаж, которые могут помочь с выбором разъемов питания для блоков питания.

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.

Читайте также: