Типы источников питания

В электротехнике источник питания — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в выходное электрическое напряжение, ток и частоту, необходимые для подключенного электрического прибора. Он преобразует переменный ток в постоянный ток и питает различные электронные устройства (компьютер, телевизор, принтер, роутер и т. д.). Есть два различных вида источника питания: источник напряжения (обеспечивает постоянное напряжение) и источник тока (обеспечивает постоянный ток).

Источники питания для электронных устройств в основном можно разделить на линейные и импульсные:

• линейные источники питания, в которых согласующим элементом является трансформатор (сущетсуют и бестрансформаторные линейные истчники питания);
• импульсные источники питания с использованием различных типов электронных систем (преобразователей напряжения);

Линейные имеют относительно простую конструкцию, которая может усложняться с увеличением тока, который они должны подавать, однако их регулировка напряжения у них не очень эффективна.

Источник питания — неотъемлемая часть многих устройств. Вот некоторые из основных типов:

• Импульсный блок питания. В настоящее время большинство блоков питания производится в виде импульсных блоков питания. Их преимущество — в основном меньший вес. Когда полупроводниковые компоненты управления и питания еще не были доступны, чтобы позволить недорогую конструкцию импульсных блоков питания, использовались более тяжелые и долговечные блоки питания с трансформатором.
• Компьютерный блок питания. Компьютеры содержат импульсный источник питания, который преобразует низкое напряжение переменного тока из распределительной сети (230 В, 50 Гц) в низкое напряжение, используемое в электрических цепях компьютера (напряжение постоянного тока 3,3 В, 5 В и 12 В).
• Сетевой адаптер. Это небольшой импульсный блок питания, имеющий форму и размер стандартной электрической вилки (например, зарядного устройства для сотового телефона), используемый в сети 230 В, обеспечивающей небольшое напряжение, необходимое для конкретного электрического или электронного устройства. Сетевые адаптеры, как правило, используются с устройствами и приборами, которые не имеют свой собственный внутренний источник питания.
• Сварочный источник питания. Сварочные источники обеспечивают высокий ток (обычно сотни ампер), который позволяет расплавлять металл локально и, таким образом, обеспечивать его соединение. Раньше применялись так называемые сварочные трансформаторы (со специальными электромагнитными трансформаторами, рассчитанными на большие сварочные токи), более современными являются сварочные инверторы с электронным управлением.

Внутренне сопротивление источника питания

Идеальный источник питания, как источник напряжения, всегда обеспечивает одно и то же напряжение независимо от подключенной нагрузки (т. е. напряжение источника питания постоянно при разном потребляемом токе).

Однако идеального источника не существует, потому что внутреннее сопротивление реального источника ограничивает максимальный ток, который может протекать через электрическую цепь.

Настоящий источник питания может использовать стабилизатор напряжения для обеспечения стабильного выходного напряжения, которое обеспечивается за счет падения напряжения (разницы между входным и выходным напряжением стабилизатора). Пример — Импульсный стабилизатор напряжения

Итак, по качеству выходного напряжения источники питания различают:

• стабилизированные источники, напряжение которых поддерживается на постоянном уровне независимо от колебаний тока,
• нестабилизированные источники, в которых выходное напряжение может изменяться в зависимости от колебаний тока .

Трансформаторные линейные источники питания

Классические линейные источники состоят из следующих элементов: трансформатор, выпрямитель, фильтр и устройство регулирования напряжения.

Принципиальная схема линейного источника питания

Сначала трансформатор преобразует сетевое напряжение в пониженное и обеспечивает гальваническую развязку. Схема, которая преобразует переменный ток в импульсный постоянный ток, называется выпрямителем (для выпрямления используются мостовые схемы на диодах), далее фильтр с конденсаторами и индуктивностями уменьшает пульсации. Подробно про фильтры — Фильтры источников питания.

Регулирование или стабилизация напряжения до заданного значения достигается с помощью так называемого регулятора напряжения, в конструкции которого используются транзисторы.

Транзистор в схеме действует как регулируемое сопротивление. На выходе из этого каскада для достижения большей стабильности в пульсации есть второй каскад фильтрации (хотя и не обязательно, все зависит от проектных требований), это может быть обычный конденсатор.

Среди источников питания есть такие, в которых мощность, подаваемая на нагрузку, регулируется тиристорами, чтобы подавать требуемое напряжение и мощность на нагрузку.

Немецкий лабораторный источник питания

Современные линейные источники питания

Стабилизация напряжения в базовом типе линейных источников достигается путем включения специального элемента параллельно цепи, питаемой от нестабилизированного источника более высокого напряжения, через подходящий резистор, вольт-амперная характеристика которого показывает резкое увеличение тока при требуемом напряжении. Такой элементом является стабилитрон (диод Зинера), который работает в широком диапазоне пороговых напряжений.

Недостатками источника питания с диодом Зенера являются относительно низкая стабильность выходного напряжения, относительно небольшой диапазон тока и особенно низкий КПД, поскольку электрическая энергия преобразуется в тепло в последовательном резисторе и в самом стабилитроне.

Современные линейные источники (обычно в виде интегральной схемы) используют элемент с переменным импедансом (транзистор в линейном режиме), который регулируется обратной связью, основанной на разнице между выходным напряжением и постоянным напряжением от внутреннего опорного напряжения (на основе диодной схемы, но с небольшим постоянным потреблением).

Типичными представителями линейных источников являются интегральные схемы типа 78xx (например, 7805 — источник напряжения 5 В) и их производные.

Недостатком таких линейных источников питания является их низкая эффективность (и поскольку рассеиваемая мощность в интегральной схеме изменяется в зависимости от нагрева, а также необходимость охлаждения), особенно когда существует большая разница между входным и выходным напряжением и большими токами. Недостатком иногда является также то, что выходное напряжение всегда ниже входного.

Преимущество заключается в их низкой цене, небольшом размере, простоте использования и отсутствии помех извне и в цепи питания.

Встроенный источник питания в лабораторном стенде по изучению электротехники

Импульсные источники питания

В импульсных источниках питания используется полевой транзистор, который периодически замыкаются с относительно высокой частотой (десятки кГц и более) и увеличивают входное напряжение схемы, состоящей из комбинации катушки, конденсатора и диода. С помощью подходящей комбинации этих элементов можно добиться снижения и увеличения напряжения.

Другой тип импульсного источника питания — это источник питания с трансформатором и последующим диодным выпрямителем, в котором используются выгодные свойства (меньшие размеры трансформатора при больших токах, меньшие магнитные потери) современных магнитных материалов (ферритов) на высоких частотах. Изменяя частоту можно добиться изменения выходного напряжения.

Таким образом, такой источник питания включает в себя схему (обычно в виде интегральной схемы), которая обеспечивает изменение частоты на основе обратной связи от выходного напряжения, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение при различных нагрузках.

Поскольку импульсные источники питания работают с прямоугольными напряжениями токов и токов, они, как правило, излучают электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Поэтому при их создании и использовании необходимо соблюдать принципы электромагнитной совместимости (ЭМС).

В мастерской или лаборатории прецизионный источник питания используется для проведения измерений, испытаний, поиска и устранения неисправностей. Эти лабораторные источники питания преобразуют, выпрямляют и регулируют напряжения, а также выходные токи, так что измерения можно проводить без повреждения тестируемых элементов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Основные элементы источников питания

Источники вторичного электропитания

Типовые структуры

Структура ИВЭП, используемых в системах автоматизации, зависит от типа первичного источника электрической энергии. Все используемые первичные источники можно разделить на две большие группы: источники переменного напряжения и источники постоянного напряжения. Источники переменного напряжения обычно вырабатывают напряжение гармонической формы с фиксированной частотой 50, 400 или 1000 Гц и фиксированным значением 110, 127, 220 или 380 В. Источниками постоянного напряжения могут быть аккумуляторы, солнечные батареи, ветрогенераторные установки. Аккумуляторные батареи обычно имеют также фиксированное напряжение из ряда: 6, 12, 24 или 48 В.

Источники вторичного электропитания, использующих электроэнергию, получаемую от сети переменного напряжения через силовой трансформатор, можно разделить на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.

Структурная схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом приведена на рисунке 2.1.Она состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсаций. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к качеству выходных на­пряжений невысоки: питание реле, электромагнитных клапанов, маломощных электровентиляторов, элементов подсветки и индикации. Зачастую при этом допускается питание нагрузки пульсирующим напряжением, в этом случае фильтр пульсаций не используется.

Рисунок 2.1 — Нерегулируемый ИВЭП

Если требуется изменять выходное напряжение, то применяется схема регулируемого ИВЭП. В ней используется регулируемый выпрямитель, как показано на рисунке 2.2. В качестве регулируемого выпрямителя наиболее часто используются тиристорные регулируемые выпрямители. Применяются для питания нагревательных элементов с возможностью регулирования температуры, электродвигателей постоянного тока и коллекторных электродвигателей переменного тока с регулируемой частотой вращения, осветительных элементов с регулируемой яркостью и т.п.

Рисунок 2.2 – Регулируемый ИВЭП

В том случае, когда к выходному напряжению предъявляются высокие требования, используется стабилизированный ИВЭП, схема которого приведена на рисунке 2.3. Дополнительно он содержит стабилизатор с непрерывным или импульсным регулированием выходного напряжения. Данная схема используется для питания электронных блоков систем автоматизации.

Рисунок 2.3 – Стабилизированный ИВЭП

Совершенствование ИВЭП с целью повышения их КПД, увеличения удель­ной мощности и улучшения качества стабилизации выходного напряжения привело к созданию импульсных ИВЭП, в состав которых входят высокочастотные инверторы напряжения.

На рисунке 2.4 приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора, работающего на повышенной частоте (обычно 20. 500 кГц), высокочастотного трансформатора, выпрямителя, и фильтра. Для стабилизации выходного напряжения используется устройство управления.

Рисунок 2.4 – ИВЭП с регулируемым инвертором

В устройстве управления сравнивается выходное напряжение конвертора и напряже­ние источника опорного напряжения (ИОН). Разность этих напряжений, называемая сигналом ошибки, используется для регулировки частоты или скважности импульсов регулируемого инвертора, что позволяет стабилизировать значение напряжения на нагрузке.

Конвертор может быть выполнен на базе однотактного трансформаторного инвертора, в этом случае он называется трансформаторным однотактным конвертором. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором.

Для схемы, приведенной на рисунке 2.4, характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу с выпрямленным напряжением сети, которое имеет максимальное значение около 310 В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети 220/380 В. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора приводит к некоторому ухудшению фильтрации выходного напряжения. Достоинством схемы является совмещение функций преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения.

Если в качестве источника первичной энергии используются низковольтные источники постоянного тока (аккумуляторные батареи, солнечные элементы), то в схеме на рисунке 2.4 отпадает необходимость во входном выпрямителе. Подобную структуру имеют источники бесперебойного питания, автономные источники питания носимой аппаратуры.

Основные элементы источников питания

Трансформаторы

Правильный расчет и выбор электрических и конструктивных характеристик трансформатора в значительной степени определяет эффективность работы и параметры ИВЭП. В литературе приведены подробные сведения о номенклатуре серийно выпускаемых трансформаторов, даны рекомендации по их расчету, подбору и использованию.

В некоторых обоснованных случаях для расчета сетевых трансформаторов, предназначенных для работы на частоте 50/60 Гц, может быть использована описанная ниже упрощенная методика.

Исходными данными для расчета являются:

— номинальное напряжение первичной обмотки ;

— напряжение вторичной обмотки ;

— номинальный ток вторичной обмотки .

1) Рассчитываем номинальный ток первичной обмотки и габаритную мощность трансформатора без учета КПД:

= ; = . (3.1)

2) Исходя из габаритной мощности приближенно определяем площадь сечения магнитопровода S трансформатора в по формуле

S = . (3.2)

Для П-образных и тороидальных сердечников площадь сечения может быть уменьшена на 10…30%.

3) Определяем число вольт на один виток :

= , (3.3)

где К – коэффициент, значение которого для Ш-образных сердечников прини-мается 50 , для П-образных 40 , для тороидальных 35…25

4) Рассчитываем число витков первичной и вторичной обмоток:

= ; = . (3.4)

5) Рассчитываем диаметр провода первичной и вторичной обмоток в миллиметрах при плотности тока через обмоточный провод 5 А/ :

= 4 , = 4 . (3.5)

После этого уточняются размеры магнитопровода исходя из условия возможности размещения обмоток в окне сердечника.

Расчет высокочастотных трансформаторов выполняется с учетом харак-теристик материала магнитопровода по рекомендациям литературы.

Выпрямители

Выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное.

Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3.1 а, является простейшим, он пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных нерегулируемых ИВЭП, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Однофазный однополупериодный выпрямитель используется в составевысокочастотных трансформаторных однотактных конверторов.

а) однополупериодный; б) двухфазный двухполупериодный;

В) однофазный мостовой

Рисунок 3.1 — Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3.1 б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w2.1 и w2.2. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра.

Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок 3.1 в) является двухполу-периодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов. Однако, трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В).

Двухполупериодные выпрямители используется и в составевысоко-частотных трансформаторных двухтактных конверторов.

Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение в ИВЭП, приведены на рисунке 3.2. Первичные обмотки трансформаторов здесь могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включены по схеме звезды. На рисунке 3.2 а приведена схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки вторичных обмоток. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 25%, в то время как для однофазного двухполупериодного выпрямителя он составляет 67%, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты питающей сети. Все это значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения, а в ряде случаев позволяет вообще обойтись без фильтра.

Источник