Источников питания типы – Источник питания. Принцип работы и характеристики. Аккумуляторы и блоки бесперебойного питания :: SYL.ru

Содержание

Источник питания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Источник питания — электрическое оборудование, предназначенное для производства, аккумулирования электрической энергии или изменения ее характеристик.[1]

В электроэнергетике:

  • первичные цепи;
  • вторичные цепи.

Электронное оборудование:

  • К первичным относят преобразователи различных видов энергии в электрическую, примером может служить аккумулятор[2], преобразующий химическую энергию в электрическую.
  • вторичные источники сами не генерируют электроэнергию, а служат лишь для её преобразования с целью обеспечения требуемых параметров (напряжения, тока, пульсаций напряжения и т. п.)
  • третичный источник питания (tertiary supply) — источник электропитания оборудования, подключаемый к вторичному источнику электропитания.[3]

Химические источники тока[править | править код]

Прочие первичные источники тока[править | править код]

(также, как Блок питания)
  • Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003. — 224 с. — ISBN 5-98131-001-4.
  • Герасимов В.Г., Князьков О.М. и др. Основы промышленной электроники. — М.: Высшая школа, 1986. — С. 224 — 272. — 336 с.
  • Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 296 с. — ISBN 5-283-00681-6.
  1. ↑ ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005) Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения
  2. ↑ ГОСТ 29284-92 Источники тока химические первичные. Методы контроля электрических параметров
  3. ↑ ГОСТ Р 55266-2012 (ЕН 300 386-2010) Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование сетей связи. Требования и методы испытаний п.3.31

Источник питания. Виды источников питания

Источник питания. Виды источников питания.

 

Источник питания (ИП)

− электронное устройство, предназначенное для обеспечения электрическим питанием различных устройств (нагрузок, потребителей).

 

Основные виды источников питания

Первичные ИП − преобразователи различных видов энергии в электрическую.
Например: гидроэлектростанция − ГЭС (потенциальная гравитационная энергия воды преобразуется в электрическую энергию), химические источники тока (ХИТ), аккумуляторы,  топливные элементы (химическая энергия преобразуется в электрическую), дизель-генераторная установка − ДГУ (химическая энергия преобразуется в механическую, затем в электрическую), ветрогенератор (кинетическая энергия частиц воздуха преобразуется в электрическую) и др.
В силовой электротехнике к первичным источникам питания можно отнести аккумуляторные батареи, дизельные- газовые- бензиновые генераторные установки, генерирующие электростанции, ИБП в автономном режиме работы и др..

Вторичные ИП − сами электроэнергию не генерируют, а служат только для ее преобразования и обеспечения требуемых параметров напряжения, частоты, пульсаций напряжения и др.
В силовой электротехнике вторичными источникам питания считаются стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы и др.

 

Основные функции источников питания
  • Обеспечение передачи мощности
  • Преобразование формы напряжения
  • Коррекция коэффициента нелинейных искажений (КНИ) напряжения
  • Преобразование величины напряжения
  • Стабилизация напряжения
  • Защита по току и напряжению
  • Гальваническая развязка цепей
  • Коррекция коэффициента мощности нагрузки
  • Коррекция КНИ тока нагрузки
  • Контроль работы и управление параметрами
  • Генерация энергии за счёт преобразования её в электрическую энергию из энергии др. видов (из химической энергии и др.)
  • Обеспечение бесперебойного питания нагрузки при авариях на основных источниках или при переключении между вводами энергии
  • Для многовходовых ИП: подключение(коммутация ) к нагрузке требуемого входа(ввода) энергии
  • Стабилизация напряжения, тока, частоты
  • Для многоблочных ИП (построенных по схеме избыточного резервирования) переключение блоков и распределение мощности между блоками

Вторичный источник электропитания — Википедия

Вторичный источник электропитания

 — устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств.[1]

Источник вторичного электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда необходимо регулирование (установка, изменение) и стабилизация напряжения в определённом диапазоне в т. ч. динамически — например материнские платы разнообразных компьютеров имеют встроенные преобразователи напряжения для питания ЦП и др. различных ИМС, модулей и ПУ; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и так далее), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Задачи вторичного источника электропитания[править | править код]

  • Обеспечение передачи мощности — источник электропитания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
  • Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
  • Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины, для питания различных цепей.
  • Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и так далее. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
  • Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
  • Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
  • Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
  • Управление
     — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
  • Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (например, в России — 240 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Линейный блок питания Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от короткого замыкания (КЗ), стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора[править | править код]

Из 3-го уравнения Максвелла rotE→=−∂B→∂t,{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},} являющегося математической записью закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что ЭДС E1{\displaystyle E_{1}}, наводимая в одном витке обмотки, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток Φ{\displaystyle \Phi } равна:

E1=dΦdt.{\displaystyle E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}.}

При синусоидальном изменении Φ{\displaystyle \Phi } вида:

Φ(t)=Φ0⋅sin(ωt),{\displaystyle \Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t),}
где Φ0{\displaystyle \Phi _{0}} — амплитудное (максимальное) значение Φ,{\displaystyle \Phi ,}
ω{\displaystyle \omega } — угловая частота,
t{\displaystyle t} — время,

следует:

E1(t)=Φ0⋅ω⋅sin(ωt),{\displaystyle E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t),}

Магнитный поток связан с магнитной индукцией B{\displaystyle B}[2] формулой:

Φ=B⋅S,{\displaystyle \Phi =B\cdot S,}
где S{\displaystyle S} — площадь витка.

При практически важном в трансформаторах синусоидальном изменении B(t){\displaystyle B(t)} по закону:

B(t)=B0⋅sin(ωt),{\displaystyle B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t),}
где B0{\displaystyle B_{0}} — амплитудное (максимальное) значение индукции в сердечнике (магнитопроводе) трансформатора.

Поэтому ЭДС одного витка вторичной обмотки в трансформаторах, первичная обмотка которых питается синусоидальным током и ферромагнитный магнитопровод которых не заходит в магнитное насыщение выражается формулой:

E1(t)=B0⋅S⋅ω⋅sin(ωt).{\displaystyle E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t).}

На практике и при расчётах трансформаторов применяется не амплитудное, а среднеквадратическое (эффективное) значение ЭДС или напряжения, которое в случае синусоидального изменения связано с амплитудным значением ЭДС выражением:

Eeff=22E0.{\displaystyle E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}.}

Подставляя последнюю формулу в выражение ЭДС для одного витка и учитывая, что

ω=2⋅π⋅f,{\displaystyle \omega =2\cdot \pi \cdot f,} f{\displaystyle f} — частота, имеем основную формулу для расчёта числа витков обмоток трансформатора так как ЭДС обмотки прямо пропорционально числу витков в обмотке:

Eeff1=2⋅π⋅B0⋅S⋅f≈4,43⋅B0⋅S⋅f,{\displaystyle E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f,}

где Eeff1{\displaystyle E_{eff1}} — эффективная ЭДС одного витка.

Мощность P{\displaystyle P}, отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора:

P=U⋅I,{\displaystyle P=U\cdot I,}
где U{\displaystyle U} — напряжение обмотки под нагрузкой,
I{\displaystyle I} — ток обмотки.

Так как максимальный ток обмотки ограничен предельной плотностью тока в проводниках обмотки при заданном их сечении и U∼Eeff1{\displaystyle U\sim E_{eff1}}, отсюда следует, что для повышения мощности трансформатора без изменения его размеров следует повышать B0{\displaystyle B_{0}} и/или f{\displaystyle f}.

Существенному повышению B0{\displaystyle B_{0}} препятствует явление магнитного насыщения сердечника. При насыщении, которое наступает в экстремумах тока первичной обмотки в течение периода, во-первых, падает реактивное сопротивление первичной обмотки, что вызывает увеличение тока холостого хода и увеличение нагрева обмотки за счёт омического сопротивления, и, во-вторых, увеличиваются потери на гистерезис, вызванные перемагничиванием магнитопровода, так как увеличивается площадь петли гистерезиса, что вызывает повышение потерь на тепло в магнитопроводе.

С точки зрения потерь в магнитопроводе следует как можно больше снижать максимальную индукцию в магнитопроводе (Bm{\displaystyle B_{m}}), но такой подход экономически нецелесообразен, так как при прочих равных увеличивает габариты и материалоёмкость трансформатора. Поэтому Bm{\displaystyle B_{m}} в магнитопроводе выбирают исходя из разумного компромисса. Причем для трансформаторов малой мощности Bm{\displaystyle B_{m}} увеличивают, а для мощных трансформаторов — уменьшают. Это обусловлено тем, что магнитопровод у малогабаритного трансформатора охлаждается эффективнее, чем у крупных трансформаторов. Для электротехнических сталей в трансформаторах промышленной частоты Bm{\displaystyle B_{m}} выбирают в пределах 1,1—1,35 Тл в трансформаторах мощностью до сотен Вт и от 0,7 до 1,0 Тл для мощных трансформаторов распределительных подстанций.

Исходя из Bm{\displaystyle B_{m}} применяется практическая формула, полученная подстановкой в теоретическое значение ЭДС витка заданного значения Bm{\displaystyle B_{m}} и частоты 50 Гц:

Eeff1=S33…70,{\displaystyle E_{eff1}={\frac {S}{33…70}},}

Здесь S{\displaystyle S} выражено в см2, Eeff1{\displaystyle E_{eff1}} — в вольтах. Меньшие значения знаменателя выбирают для маломощных трансформаторов, большие — для мощных.

Другой путь повышения мощности трансформатора — повышение рабочей частоты. Приблизительно можно считать, что при заданных размерах трансформатора его мощность прямо пропорциональна рабочей частоте. Поэтому увеличение частоты в k{\displaystyle k} раз при неизменной мощности позволяет уменьшить размеры трансформатора в ∼k{\displaystyle \sim {\sqrt {k}}} раз (площадь сечения магнитопровода уменьшается в ∼k{\displaystyle \sim k} раз), или, соответственно, его массу в ∼k3/2{\displaystyle \sim {\sqrt[{3/2}]{k}}} раз.

В частности, в том числе и этими соображениями, в силовых бортовых сетях летательных аппаратов и судов обычно применяется частота 400 Гц с напряжением 115 В.

Но повышение частоты ухудшает магнитные свойства магнитопроводов, в основном из-за увеличения потерь на гистерезис, поэтому при рабочих частотах свыше единиц кГц применяют ферродиэлектрические магнитопроводы трансформаторов, например, ферритовые или изготовленные из карбонильного железа.

Современные источники вторичного электропитания различной бытовой техники, компьютеров, принтеров и др. сейчас практически полностью выполняются по схемам импульсных источников и практически полностью вытеснили классические трансформаторы. В таких источниках гальваническое разделение питаемой цепи и питающей сети, получение набора необходимых вторичных напряжений, производится посредством высокочастотных трансформаторов с ферритовыми сердечниками. Источником высокочастотного напряжения являются импульсные ключевые схемы с полупроводниковыми ключами, обычно транзисторными. Применение таких устройств, часто называемых инверторами позволяет многократно снизить массу и габариты устройства, а также, дополнительно — повысить качество и надёжность электропитания, так как импульсные источники менее критичны к качеству электропитания в первичной сети, — они менее чувствительны к всплескам и провалам сетевого напряжения, изменениям его частоты.

Достоинства и недостатки[править | править код]

Достоинства трансформаторных БП.
  • Простота конструкции.
  • Надёжность.
  • Доступность элементной базы.
  • Отсутствие создаваемых радиопомех[прим 1] (в отличие от импульсных, создающих помехи за счёт гармонических составляющих[3]).
Недостатки трансформаторных БП.
  • Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
  • Металлоёмкость.
  • Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.
{\displaystyle \sim {\sqrt[{3/2}]{k}}} Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — дроссель групповой стабилизации (ГДС)
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определённой скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной фильтр нижних частот (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространёнными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящего от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства и недостатки[править | править код]

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

  • меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
  • значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счёт того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включён, либо выключен) потери энергии минимальны[4];
    • из этого прямо следует, что, при одной и той же схемотехнике и элементарной базе, КПД растёт с понижением частоты преобразования, так как переходные процессы занимают пропорционально меньшую часть времени. При этом, однако, растут габариты моточных элементов — но это даёт и выигрыш, из-за снижения омических потерь.
  • меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
  • сравнимой с линейными стабилизаторами надёжностью.
    Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
    • для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
    • для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надёжности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затруднённом обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
  • широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
  • наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.
Недостатки импульсных БП
  • Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП.
  • Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры[3].
  • Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
  • В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.
Комментарии
  1. ↑ Однако в мощных трансформаторных БП возникают импульсные помехи из-за того, что ток, протекающий через выпрямительные диоды (и вторичную обмотку трасформатора) имеет форму коротких импульсов, потому что диод открыт не весь полупериод, а короткое время вблизи максимума синусоиды, когда мгновенное значение переменного напряжения на вторичной обмотке превышает постоянное напряжение на фильтрующей ёмкости).
Источники

Основные виды источников питания

Источник (блок) электропитания представляет собой устройство, которое преобразует напряжение одного вида (обычно переменное напряжение осветительной сети) в другое, более подходящее по своим параметрам для снабжения электроэнергией какого-то конкретного блока или части устройства.

Для ламповых усилителей являются необходимыми, как источники постоянного высоковольтного напряжения, так и один, либо даже несколько блоков, осуществляющих питание цепей накала ламп, в которых могут использоваться напряжения как постоянного, так и переменного тока. Достаточно часто для питания как предусилительных каскадов, так и усилителя мощности используется единый блок питания, который часто входит в состав усилителя мощности, однако такой вариант вовсе не является обязательным.

Будут рассмотрены основные блоки, входящие в состав источника питания, примеры расчета таких блоков, затем будет рассмотрен пример проектирования схем двух блоков питания, используемых на практике.

Существует два принципиальных подхода к проектированию схем источников питания, в соответствии с которым их можно разделить на два основных класса: линейные (непрерывные) и импульсные (рис. 6.1).

В импульсном источнике питания переменное напряжение сети, прежде всего, выпрямляется, затем преобразуется в высокочастотное напряжение, имеющее частоту, как правило, превышающую 50 кГц, после этого оно повышается или понижается до необходимого значения с использованием трансформаторов, потом оно выпрямляется и сглаживается. Стабилизация значения напряжения является существенной частью любой схемы импульсного преобразования. Импульсные блоки питания характеризуются небольшими габаритами (поскольку трансформация напряжения происходит на высоких частотах, а не на 50 Гц), малым весом и высоким КПД. Их разработка является очень специфичной, ранние модели импульсных источников питания характеризовались очень высоким значением высокочастотных шумов. Однако последние разработки, удовлетворяющие требованиям современных стандартов по уровню электромагнитных радиопомех, EMI, характеризуются на удивление низким уровнем шумов и могут быть с успехом использованы в блоках питания, применяемых даже в цепях подогревателей ламп.

Рис. 6.1 Сравнение блок-схем линейного и импульсного источников питания

В противоположность импульсным источникам питания в линейных блоках сетевое напряжение промышленной частоты, чаще всего 50 Гц, с использованием массивного силового трансформатора, прежде всего понижается или повышается до необходимого значения. Затем включается ламповый или полупроводникового выпрямитель, совместно с которым используются сглаживающие конденсаторы большой емкости, либо еще большие по габаритам дроссели, сглаживающие пульсации, Наконец, выпрямленное и сглаженное напряжение поступает на необходимые схемы стабилизаторов. Линейные блоки питания очень массивные, у них очень маленький КПД, но при проектировании они требуют выполнения очень несложных расчетов и отличаются очень низким уровнем шумов. В ламповых усилителях используется громадное количество таких блоков питания, поэтому необходимо представлять основные проблемы и нюансы, возникающие при их проектировании.

Как правило, процесс проектирования источника питания ведется от обратного, то есть исходят из требований, предъявляемых к выходных характеристикам и параметрам отдельных элементов и цепей. Так как источник питания проектируется, чаще всего, после завершения расчета усилительных каскадов, то существует превратное представление думать о них, как оставленных, как бы «на потом». Более того, некоторые промышленно изготовленные образцы так и несут на себе печать этого сложившегося в массовом сознании стереотипа. Однако при начале проектирования блока питания необходимо очень четко представить себе, что усилитель, по сути дела, представляет собой модулятор, который управляет потоком энергии, передаваемой от источника питания в нагрузку. Если качество источника питания будет неудовлетворительным, то даже самый тщательно спроектированный усилитель превратится в никому не нужный утиль.

 

Типы источников питания, двухполярный источник питания


Существуют различные типы источников питания. Большинство из них разработаны для преобразования переменного тока высокого напряжения (AC) в низкое напряжение постоянного тока (DC) для питания различных схем электроники и других устройств. Источники питания могут быть разбиты на несколько функциональных блоков, каждый из которых выполняет свою функцию.

Например, стабилизированный источник питания:

Каждый функциональный блок подробно описан на своих страницах:

  • Трансформатор — преобразует (как правило понижает) напряжение сети до нужного напряжения источника питания;
  • Выпрямитель — преобразует (выпрямляет) переменное напряжение с трансформатора в постоянное;
  • Фильтр — сглаживает пульсации выпрямленного напряжения;
  • Стабилизатор — стабилизирует выходное напряжение.

Типы источников питания, составленные из этих блоков, описаны далее. Так же показаны их принципиальные схемы с графиками выходного напряжения.

Трансформатор

Пониженное выходное напряжение трансформатора может быть применено для ламп накаливания, нагревательных элементов, электродвигателей переменного тока. Переменное напряжение не подходит для питания электрических схем, если только они не включают в своём составе выпрямитель и фильтр для сглаживания пульсаций.

Трансформатор -> выпрямитель

Постоянное пульсирующее напряжение подходит для питания ламп накаливания, нагревательных приборов, электродвигателей постоянного тока. Но не подходит для электронных схем, если те не содержат фильтр для сглаживания пульсаций напряжения.

Трансформатор -> выпрямитель -> фильтр

У выпрямленного и сглаженного постоянного напряжения видны только небольшие пульсации. Такое напряжение подходит для питания большинства электронных схем.

Трансформатор -> выпрямитель -> фильтр -> стабилизатор

Стабилизированное напряжение подходит абсолютно для всех электронных схем.

Двуxполярный источник питания

Двухполярный источник питания

Двухполярный источник питания — это особый тип источников питания. Некоторые электронные схемы требуют двухполярного питания с положительным и отрицательным напряжением. Такие источники называют двухполярными. Так же их называют двойным источником питания, потому что они похожи на два обычных источника, выходы которых соединены последовательно как показано на схеме. (На самом деле всё несколько сложнее.) Подробнее об этом можно почитать в статье Двухполярный блок питания.

Такие источники имеют три вывода на выходе. Например ±9В источник имеет выводы +9В, -9В и 0.

виды, характеристики, сферы применения :: SYL.ru

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Солнечная батарея

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

Батарейка одноразовая

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Аккумулятор автомобильный

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Выпрямитель одного периода

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Выпрямитель со средней точкой

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Мостовая схема выпрямления

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

Схемы стабилизаторов

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Современные источники питания — MegaObzor

Различные электронные устройства давно и прочно вошли в нашу жизнь. Приборы самой широкой сферы применения и степени сложности выводят нашу жизнь на совершенно новый уровень комфорта и возможностей. Однако для того, чтобы какое-либо оборудование функционировало, оно должно иметь доступ к электроэнергии. Для этого необходимы источники питания – устройства, отвечающие за подачу электропитания.

При этом практически все виды источников питания отвечают за выполнение трех основных функций:

  • преобразования электроэнергии
  • стабилизации
  • регулировки.

Виды источников питания

Все источники питания можно разделить на две группы: первичные и вторичные.

  • Первичные занимаются превращением разнообразных видов энергии в электрическую. К примеру, существуют аккумуляторы, которые химическую энергию преобразовывают в электричество.
  • Вторичные не отвечают за генерирование электроэнергии. Они занимаются лишь изменением ее характеристик, необходимых конкретному оборудованию. В частности, меняются показатели тока, напряжения, пульсации напряжения и пр.

Среди различных видов ИП, относящихся к категории вторичных, особенно востребованы блоки питания.

Какие бывают блоки питания

Блоки питания (или вторичные источники электропитания) представляют собой устройства, обеспечивающие электроприборы необходимой им электрической энергией посредством преобразования энергии, полученной от других источников. При этом энергия должна соответствовать ряду параметров, вроде тока, напряжения и пр.

Блоки питания могут быть:

  • встроенными в общую схему
  • использоваться в виде модуля
  • размещаться в отдельном помещении.

Существует два основных вида конструкций источников питания: импульсные и трансформаторные, они же сетевые.

Преимуществом импульсных блоков питания является надежность, наличие цепей защиты от форс-мажорных ситуаций, широкий диапазон частоты и питающего напряжения, меньшей, чем у сетевых моделей стоимостью, высоким КПД и меньшим весом.

Преимуществом сетевых БП считается доступная база элементов, простота конструкции, отсутствие, в отличие от импульсных моделей, создаваемых радиопомех, надежность.

Среди разновидностей ИП особенного внимания заслуживают источники бесперебойного питания, пользующиеся огромной популярностью, как в промышленной, так и бытовой сфере.

Особенности источников бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания, они же ИБП, представляют собой электронное автоматическое устройство, оснащенное аккумулятором. ИБП обеспечивают бесперебойную подачу электрического питания для компьютера и его комплектующих, в течение краткого периода времени.

ИБП необходим для того, чтобы в случае внезапного падения или обрыва входного питающего напряжения, иметь возможность сохранить необходимые данные и корректно завершить работу ПК.

Следует помнить, что источники бесперебойного питания не подходят для постоянной, или хотя бы длительной подачи электроэнергии на компьютер. ИБП, они же UPS (Uninterruptible Power Supply), являются лишь вспомогательным оборудованием. Для того, чтобы обеспечить ПК долгосрочной подачей энергии, можно использовать устройства наподобие генераторов или источников резервного питания (ИРП).

Какие бывают UPS

Среди разнообразия ИБП, представленных на рынке, лишь три типа устройств действительно являются разновидностями источников бесперебойного питания:

  • UPS Line-Interactive
  • UPS On-Line
  • UPS Off-Line.

Все прочие подобные устройства на самом деле являются только их производными.

Подводя итоги

Источники питания давно стали необходимо частью нашей жизни. Они востребованы как в промышленной сфере, так и бытовой, ведь именно на электричестве работает большая часть используемых человеком приборов. Безусловно, блоки питания, равно как и источники бесперебойного питания, являются одним из важнейших изобретений в истории человечества, решают многие проблемы, связанные с подачей электроэнергии.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о