Источник питания - Power supply

Простой настольный блок питания общего назначения, используемый в электронных лабораториях, с выходным разъемом питания, видимым внизу слева, и входным разъемом питания (не показан), расположенным сзади

А источник питания это электрическое устройство, которое снабжает электроэнергия для электрическая нагрузка. Основная функция источника питания - преобразовывать электрический ток от источника к правильному Напряжение, Текущий, и частота для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называют преобразователи электроэнергии. Некоторые блоки питания представляют собой отдельные автономные части оборудования, а другие встроены в устройства нагрузки, которые они питают. Примеры последних включают источники питания, находящиеся в настольные компьютеры и бытовая электроника устройств. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасных уровней, отключение тока в случае сбоя. электрическая неисправность, кондиционирование питания для предотвращения электронный шум или же скачки напряжения на входе от достижения нагрузки, коррекция коэффициента мощности, и накапливает энергию, чтобы она могла продолжать питать нагрузку в случае временного отключения источника питания (бесперебойный источник питания ).

Все блоки питания имеют входная мощность соединение, которое получает энергию в виде электрического тока от источника, и один или несколько выходная мощность соединения, которые подают ток к нагрузке. Источник питания может поступать от электрическая сеть, например, Электрическая розетка, хранилище энергии такие устройства, как батареи или же топливные элементы, генераторы или же генераторы, солнечная энергия преобразователи или другой блок питания. Вход и выход обычно представляют собой проводные соединения, хотя в некоторых источниках питания используются беспроводная передача энергии для питания своих нагрузок без проводных подключений. Некоторые источники питания также имеют другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.

Основная классификация

Настраиваемый регулируемый источник питания постоянного тока для монтажа в стойку

Функциональный

Источники питания классифицируются по-разному, в том числе по функциональным характеристикам. Например, регулируемый источник питания тот, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выход нерегулируемый Источник питания может существенно измениться при изменении его входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемый Источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических средств управления (например, регуляторов на передней панели источника питания), или с помощью входа управления, или и того, и другого. An регулируемый регулируемый источник питания является регулируемым и регулируемым. An изолированные источник питания имеет выходную мощность, электрически независимую от входной мощности; это отличается от других источников питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом питания.

Упаковка

Электронный стендовый блок питания

Блоки питания упаковываются по-разному и соответственно классифицируются. А скамейка Блок питания - это автономное настольное устройство, используемое в таких приложениях, как тестирование и разработка схем. Открытая рамка блоки питания имеют лишь частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; они обычно встроены в машины или другое оборудование. Монтаж в стойку блоки питания предназначены для крепления в стандартные стойки для электронного оборудования. An интегрированный источник питания - это тот, который имеет общий печатная плата со своим грузом. An внешний источник питания, АС адаптер или же силовой кирпич, это источник питания, расположенный в шнуре питания переменного тока нагрузки, который подключается к розетке; а настенная бородавка представляет собой внешний источник питания, встроенный в саму розетку. Они популярны в бытовой электронике из-за их безопасности; опасный основной ток 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение перед тем, как попасть в корпус прибора.

Метод преобразования мощности

Источники питания можно условно разделить на линейный и переключение типы. Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все компоненты преобразования активной мощности работают в своих линейных рабочих областях. В импульсных преобразователях мощности входная мощность преобразуется в импульсы переменного или постоянного тока перед обработкой компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторы, которые проводят большую часть своего времени в режиме отсечки или насыщения). Мощность «теряется» (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в линейных областях, и, следовательно, переключающие преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.

Типы

источник постоянного тока

Источник питания постоянного тока - это источник постоянного напряжения постоянного тока на нагрузку. В зависимости от конструкции источник питания постоянного тока может питаться от источника постоянного тока или от AC источник, такой как электросеть.

Источник переменного тока в постоянный

Схема основного источника питания переменного тока в постоянный, показывающая (слева направо) трансформатор, двухполупериодный мостовой выпрямитель, конденсатор фильтра и нагрузку резистора

Источники питания постоянного тока используют переменный ток сети электроэнергии как источник энергии. В таких источниках питания будет использоваться трансформатор для преобразования входного напряжения в более высокое или более низкое напряжение переменного тока. А выпрямитель используется для преобразования выходного напряжения трансформатора в переменное напряжение постоянного тока, которое, в свою очередь, проходит через электронный фильтр преобразовать его в нерегулируемое постоянное напряжение.

Фильтр удаляет большую часть, но не все колебания напряжения переменного тока; оставшееся напряжение переменного тока известно как рябь. Допустимое отклонение электрической нагрузки от пульсаций диктует минимальный объем фильтрации, который должен обеспечивать источник питания. В некоторых приложениях допускается высокая пульсация, поэтому фильтрация не требуется. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов можно реализовать источник постоянного тока с питанием от сети, состоящий только из трансформатора и одного выпрямительного диода, с резистором, включенным последовательно с выходом, для ограничения тока зарядки.

Импульсный источник питания

В импульсный источник питания (SMPS) вход сети переменного тока напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Результирующее постоянное напряжение затем включается и выключается с высокой частотой с помощью электронной коммутационной схемы, тем самым создавая переменный ток, который будет проходить через высокая частота трансформатор или индуктор. Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц - 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и фильтрующие конденсаторы, которые намного меньше, легче и дешевле, чем те, которые используются в линейных источниках питания, работающих на частоте сети. После вторичной обмотки индуктора или трансформатора высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если в SMPS используется хорошо изолированный высокочастотный трансформатор, на выходе будет электрически изолированный от сети; эта функция часто важна для безопасности.

Импульсные источники питания обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения в источнике питания используется контроллер с обратной связью, который отслеживает ток, потребляемый нагрузкой. Переключение рабочий цикл увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.

SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или схема с ломом чтобы защитить устройство и пользователя от повреждений.^[1] В случае обнаружения ненормального сильноточного потребления энергии импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как будет нанесен ущерб. Блоки питания ПК часто обеспечивают мощность хорошая сигнал на материнскую плату; отсутствие этого сигнала предотвращает работу при аномальных напряжениях питания.

Некоторые SMPS имеют абсолютный предел минимального выходного тока.^[2] Они могут выводить мощность только выше определенного уровня и не могут работать ниже этого уровня. В условиях холостого хода частота схемы ограничения мощности увеличивается до большой скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как Катушка Тесла, вызывая повреждение из-за скачков напряжения очень высокого напряжения. Импульсные источники питания со схемами защиты могут на короткое время включаться, но затем отключаться, когда нагрузка не обнаружена. Очень маленький маломощный фиктивная нагрузка К источнику питания можно подключить керамический силовой резистор или 10-ваттную лампочку, чтобы он работал без первичной нагрузки.

Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкий факторы мощности а также являлись значительными источниками линейных помех (из-за наведенных гармоники линии питания и переходные процессы). В простых импульсных источниках питания входной каскад может искажать форму волны линейного напряжения, что может отрицательно влиять на другие нагрузки (и приводить к низкому качеству электроэнергии для других потребителей коммунальных услуг) и вызывать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования. Кроме того, клиенты несут более высокие счета за электроэнергию при работе с нагрузками с более низким коэффициентом мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые компьютерные импульсные источники питания выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные переключающие каскады для уменьшения линейных помех.

Емкостный (бестрансформаторный) источник питания

А емкостный источник питания (бестрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатор для снижения напряжения сети до меньшего переменного напряжения. Как правило, результирующее пониженное напряжение переменного тока затем выпрямляется, фильтруется и регулируется для получения постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Выходное напряжение не изолировано от сети. Следовательно, чтобы не подвергать людей и оборудование воздействию опасного высокого напряжения, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано.

Конденсатор понижения напряжения должен выдерживать полное сетевое напряжение, а также должен иметь достаточную емкость, чтобы поддерживать максимальный ток нагрузки при номинальном выходном напряжении. Взятые вместе, эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа источника питания в приложениях с низким энергопотреблением.

Линейный регулятор

Функция линейный регулятор напряжения заключается в преобразовании переменного напряжения постоянного тока в постоянное, часто конкретное, более низкое напряжение постоянного тока. Кроме того, они часто предоставляют ограничение тока функция защиты источника питания и нагрузки от сверхток (чрезмерный, потенциально разрушительный ток).

Во многих источниках питания требуется постоянное выходное напряжение, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет изменяться в зависимости от изменения импеданса нагрузки. Кроме того, когда источником энергии является нерегулируемый источник питания постоянного тока, его выходное напряжение также будет изменяться с изменением входного напряжения. Чтобы обойти это, в некоторых источниках питания используется линейный регулятор напряжения для поддержания постоянного значения выходного напряжения, независимо от колебаний входного напряжения и сопротивления нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсаций и шума на выходном напряжении.

Блоки питания переменного тока

Блок питания переменного тока обычно получает напряжение от сетевой розетки (электросеть ) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемого значения. Также может иметь место некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется разделительный трансформатор. Другие трансформаторы питания переменного тока не обеспечивают изоляцию от сети; они называются автотрансформаторы; автотрансформатор с регулируемым выходом известен как вариак. Другие типы источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянный ток, а выходное напряжение может изменяться в зависимости от полного сопротивления нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильный аккумулятор), инвертор и повышающий трансформатор может использоваться для преобразования его в переменный ток. Портативное питание переменного тока может обеспечиваться генератор приводимый в действие дизельным или бензиновым двигателем (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или от резервного источника энергии для аварийных служб), ток которого передается в цепь регулятора для обеспечения постоянного напряжения на выходе. Некоторые виды преобразования энергии переменного тока не используют трансформатор. Если выходное напряжение и входное напряжение одинаковы, а основная цель устройства - фильтровать мощность переменного тока, его можно назвать линия кондиционера. Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источник бесперебойного питания. Схема может быть спроектирована с умножитель напряжения топология для прямого увеличения мощности переменного тока; раньше таким приложением была электронная лампа Приемник переменного / постоянного тока.

В современном использовании блоки питания переменного тока можно разделить на один этап и трехфазный системы. «Основное различие между однофазным и трехфазным питанием переменного тока - постоянство подачи». ^[3]Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты, а также напряжения, они часто используются производителями для проверки пригодности своей продукции для использования в других странах. 230 В 50 Гц или 115 60 Гц или даже 400 Гц для испытаний авионики.

АС адаптер

Зарядное устройство для мобильного телефона Switch-Mode

Адаптер переменного тока - это блок питания, встроенный в Сетевой шнур переменного тока. Адаптеры переменного тока также известны под различными другими названиями, такими как «блок розеток» или «сменный адаптер», или сленговыми терминами, такими как «стенная бородавка». Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по проводному кабелю к разъему, но некоторые адаптеры имеют несколько выходов, которые могут передаваться по одному или нескольким кабелям. «Универсальные» адаптеры переменного тока имеют сменные входные разъемы для работы с различными напряжениями сети переменного тока.

Адаптеры с выходами переменного тока могут состоять только из пассивного трансформатор (плюс несколько диодов в выходных адаптерах постоянного тока), или они могут использовать схему переключения. Адаптеры переменного тока потребляют энергию (и создают электрические и магнитные поля), даже если они не подключены к нагрузке; по этой причине их иногда называют «электрическими вампирами», и они могут быть подключены к электрические полосы чтобы их можно было удобно включать и выключать.

Программируемый блок питания

Программируемые блоки питания

А программируемый источник питания это тот, который позволяет дистанционно управлять своей работой через аналоговый вход или цифровой интерфейс, такой как RS232 или же GPIB. Контролируемые свойства могут включать в себя напряжение, ток и, в случае источников питания переменного тока, частоту. Они используются в самых разных приложениях, включая автоматическое тестирование оборудования, рост кристаллов мониторинг, производство полупроводников и генераторы рентгеновского излучения.

В программируемых источниках питания обычно используется встроенный микрокомпьютер для управления и контроля работы источника питания. Источники питания, оснащенные компьютерным интерфейсом, могут использовать проприетарные протоколы связи или стандартные протоколы и языки управления устройством, такие как SCPI.

Бесперебойный источник питания

Источник бесперебойного питания (ИБП) получает питание от двух или более источников одновременно. Обычно он питается напрямую от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумулятор. В случае пропадания или пропадания электросети аккумулятор мгновенно берет на себя, так что нагрузка никогда не прерывается. Мгновенно здесь следует определять скорость электричества в проводниках, которая несколько близка к скорости света. Это определение важно, потому что передача высокоскоростных данных и услуги связи должны иметь непрерывность / НИКАКИЕ перерывы в этой услуге. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако при высокой скорости передачи данных даже 4 мс времени при переходе от одного источника к другому недостаточно. Переход должен быть выполнен в перерыве перед методом make. ИБП, отвечающий этому требованию, называется Истинным ИБП или Гибридным ИБП. Время работы ИБП чаще всего зависит от батарей и в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от примерно 5-15 минут до буквально часов или даже дней. Во многих компьютерных установках времени работы от батарей хватает только на то, чтобы у операторов было время для правильного выключения системы. В других схемах ИБП могут использоваться двигатель внутреннего сгорания или турбина для подачи энергии во время отключения электроэнергии от электросети, и время работы от батареи зависит от того, сколько времени требуется генератору, чтобы быть в сети, и критичности обслуживаемого оборудования. Такая схема используется в больницах, центрах обработки данных, call-центрах, сотовых станциях и центральных телефонных офисах.

Источник питания высокого напряжения

Блок питания высокого напряжения 30 кВ с разъемом Федерального стандарта, используемый в электронных микроскопах.

А высоковольтный источник питания это тот, который выдает сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, предотвращающий дуга, пробой изоляции и случайным контактом с человеком. Разъемы Федерального стандарта обычно используются для приложений выше 20 кВ, хотя другие типы разъемов (например, Соединитель SHV ) можно использовать при более низких напряжениях. Некоторые высоковольтные источники питания имеют аналоговый вход или цифровой интерфейс связи, который можно использовать для управления выходным напряжением. Источники питания высокого напряжения обычно используются для ускорения и управления электронными и ионными пучками в таком оборудовании, как рентгеновские генераторы, электронные микроскопы, и сфокусированный ионный пучок столбцы и во множестве других приложений, включая электрофорез и электростатика.

Источники питания высокого напряжения обычно направляют большую часть своей входной энергии на инвертор мощности, что, в свою очередь, приводит к умножитель напряжения или высокий коэффициент трансформации, высоковольтный трансформатор, или оба (обычно трансформатор, за которым следует умножитель) для получения высокого напряжения. Высокое напряжение выводится из блока питания через специальный разъем и также подается на делитель напряжения что преобразует его в низковольтный измерение сигнал совместим с низковольтной схемой. Сигнал измерения используется контроллером с обратной связью, который регулирует высокое напряжение, управляя входной мощностью инвертора, и он также может выводиться из источника питания, чтобы позволить внешней схеме контролировать выходное высокое напряжение.

Биполярный источник питания

Биполярный источник питания (Kepco BOP 6-125MG)

Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах напряжения / тока. Декартово плоскости, что означает, что он будет генерировать положительные и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания регулирования.^[4] Когда его выход управляется аналоговым сигналом низкого уровня, он фактически является узкополосным операционный усилитель с высокой выходной мощностью и плавным переходом через ноль. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях.^{[пример необходим ]}

Технические характеристики

Пригодность конкретного источника питания для приложения определяется различными атрибутами источника питания, которые обычно перечислены в списке источников питания. Технические характеристики. Обычно указанные атрибуты для источника питания включают:

• Тип входного напряжения (переменный или постоянный) и диапазон
• Эффективность преобразования энергии
• Количество Напряжение и Текущий он может обеспечить свою нагрузку
• Насколько стабильно его выходное напряжение или ток при различных условиях линии и нагрузки
• Как долго он может поставлять энергию без дозаправки или подзарядки (относится к источникам питания, в которых используются портативные источники энергии)
• Диапазон рабочих температур и температур хранения

Обычно используемые сокращения в спецификациях источников питания:

• SCP - Защита от короткого замыкания
• OPP - Защита от перегрузки (перегрузки)
• OCP - Максимальная токовая защита
• OTP - Защита от перегрева
• OVP - Защита от перенапряжения
• УВП - Защита от пониженного напряжения

Управление температурным режимом

Источник питания электрической системы имеет тенденцию выделять много тепла. Чем выше КПД, тем больше тепла отводится от агрегата. Есть много способов управлять теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории: конвекция и проводимость. Обычные методы конвекции для охлаждения электронных источников питания включают естественный поток воздуха, принудительный поток воздуха или другой поток жидкости над устройством. Общие методы кондуктивного охлаждения включают: радиаторы, холодные плиты и термопасты. ^[5]

Защита от перегрузки

Источники питания часто имеют защиту от короткое замыкание или перегрузка, которая может повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и Автоматические выключатели два обычно используемых механизма защиты от перегрузки.^[6]

Предохранитель содержит короткий кусок проволоки, который плавится при протекании слишком большого тока. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена ​​проблема, вызвавшая перегрузку, и не будет заменен предохранитель. В некоторых источниках питания используется очень тонкий проводная связь припаял на место как предохранитель. Конечный пользователь может заменить предохранители в блоках питания, но для доступа к предохранителям в потребительском оборудовании и их замены могут потребоваться инструменты.

Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревает, сгибает и запускает пружину, отключающую цепь. Как только элемент остынет и проблема будет выявлена, выключатель можно будет сбросить и подать питание.

Некоторые блоки питания используют термовыключатель закопан в трансформатор, а не в предохранитель. Преимущество состоит в том, что он позволяет потреблять больший ток в течение ограниченного времени, чем устройство может обеспечивать непрерывно. Некоторые из таких вырезов самовосстанавливаются, некоторые предназначены только для одноразового использования.

Ограничение тока

Некоторые источники питания используют ограничение тока вместо отключения питания в случае перегрузки. Используется два типа ограничения тока: электронное ограничение и ограничение импеданса. Первый типичен для лабораторных блоков питания, второй - для источников питания мощностью менее 3 Вт.

А обратный ограничитель тока уменьшает выходной ток до значения, намного меньшего, чем максимальный ток без повреждения.

Приложения

Источники питания являются основным компонентом многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных приложениях. Этот список представляет собой небольшой пример множества применений источников питания.

Компьютеры

Современный компьютерный блок питания - это импульсный блок питания, который преобразует мощность переменного тока из сети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные источники питания заменили линейные из-за улучшений стоимости, веса, эффективности и размеров. Разнообразный набор выходных напряжений также требует больших значений потребляемого тока.

Электрические транспортные средства

Электрические транспортные средства это те, которые полагаются на энергию, создаваемую за счет производства электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования энергии аккумуляторной батареи автомобиля высокого напряжения.^[7]

Сварка

Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов путем их плавления. Электроэнергия обеспечивается источник питания для сварки, и может быть AC или же ОКРУГ КОЛУМБИЯ. Для дуговой сварки требуются высокие токи, обычно от 100 до 350. амперы. Некоторые типы сварки могут потреблять всего 10 ампер, в то время как в некоторых случаях точечная сварка использовать ток до 60 000 ампер в течение очень короткого времени. Сварочные источники питания состояли из трансформаторы или же двигатели вождение генераторы; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать микропроцессор контроль.

Самолет

Как коммерческим, так и военным авиационным системам требуется источник питания постоянного или переменного тока для преобразования энергии в полезное напряжение. Часто они могут работать при 400 Гц в интересах экономии веса.

Автоматизация

Это относится к конвейерам, сборочным линиям, сканерам штрих-кода, камерам, двигателям, насосам, полуфабрикатам и многому другому.

Медицинское

К ним относятся аппараты ИВЛ, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, средства визуализации и кровати.

Смотрите также

• АС адаптер
• Емкостный источник питания
• Производство электроэнергии
• Высокое напряжение
• Электроэнергия по странам
• Мотор-генератор
• Шнур питания
• Смысл (электроника)
• Регулятор напряжения
• Категория: Производители блоков питания

Рекомендации

внешняя ссылка

• Понимание работы линейного источника питания
• Источники мощности нагрузки для максимальной эффективности, Джеймс Колотти, EDN, 5 октября 1979 г.