Источник питания — это электрическое устройство, которое подает электроэнергию на электрическую нагрузку . Основное назначение источника питания — преобразовывать электрический ток от источника в правильное напряжение , ток и частоту для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называют преобразователями электроэнергии . Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные устройства, в то время как другие встроены в приборы нагрузки, которые они питают. Примерами последних являются источники питания, используемые в настольных компьютерах и устройствах бытовой электроники . Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасного уровня, отключение тока в случае электрической неисправности , регулирование мощности для предотвращения попадания электронного шума или скачков напряжения на входе на нагрузку, коррекцию коэффициента мощности и накопление энергии, чтобы она могла продолжать питать нагрузку в случае временного прерывания подачи питания источника ( источник бесперебойного питания ).
Все блоки питания имеют входное соединение питания, которое получает энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько выходных соединений питания или шин питания , которые подают ток на нагрузку. Источником питания может быть электрическая сеть , например, электрическая розетка , устройства хранения энергии , такие как батареи или топливные элементы , генераторы или генераторы переменного тока , преобразователи солнечной энергии или другой источник питания. Вход и выход обычно представляют собой проводные соединения цепи, хотя некоторые блоки питания используют беспроводную передачу энергии для питания своих нагрузок без проводных соединений. Некоторые блоки питания также имеют другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.
Источники питания классифицируются различными способами, в том числе по функциональным особенностям. Например, регулируемый источник питания — это тот, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выход нерегулируемого источника питания может значительно меняться при изменении его входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических элементов управления (например, ручек на передней панели источника питания) или с помощью управляющего входа, или и того, и другого. Регулируемый регулируемый источник питания — это тот, который является как регулируемым, так и регулируемым. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, которая электрически независима от его входной мощности; это отличается от других источников питания, которые имеют общее соединение между входной и выходной мощностью.
Источники питания упаковываются по-разному и классифицируются соответственно. Настольный источник питания — это отдельное настольное устройство, используемое в таких приложениях, как тестирование и разработка схем. Источники питания открытого типа имеют только частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; они обычно встраиваются в машины или другое оборудование. Источники питания для монтажа в стойку предназначены для крепления в стандартных стойках электронного оборудования. Интегрированный источник питания — это тот, который разделяет общую печатную плату со своей нагрузкой. Внешний источник питания, адаптер переменного тока или блок питания — это источник питания, расположенный в шнуре питания переменного тока нагрузки, который подключается к розетке; настенный блок питания — это внешний источник питания, интегрированный с самой вилкой розетки. Они популярны в бытовой электронике из-за своей безопасности; опасный основной ток 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение, прежде чем он попадет в корпус прибора.
Источники питания можно в целом разделить на линейные и импульсные . Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все активные компоненты преобразования 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, транзисторами, которые проводят большую часть времени в состоянии отсечки или насыщения). Мощность «теряется» (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в своих линейных областях, и, следовательно, импульсные преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.
Источник питания переменного тока в постоянный ток работает от входного напряжения переменного тока и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от требований приложения выходное напряжение может содержать большие или незначительные количества компонентов частоты переменного тока, известных как пульсирующее напряжение , связанных с частотой входного напряжения переменного тока и работой источника питания. Источник питания постоянного тока, работающий от входного напряжения постоянного тока, называется преобразователем постоянного тока в постоянный ток . В этом разделе основное внимание уделяется варианту переменного тока в постоянный ток.
В линейном источнике питания входное напряжение переменного тока проходит через силовой трансформатор , а затем выпрямляется и фильтруется для получения постоянного напряжения. Фильтрация уменьшает амплитуду частоты сети переменного тока, присутствующей на выходе выпрямителя, и может быть такой простой, как один конденсатор, или более сложной, например, пи-фильтр . Допуск пульсации электрической нагрузки диктует минимальный объем фильтрации, который должен обеспечиваться источником питания. В некоторых приложениях пульсацию можно полностью игнорировать. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов источник питания состоит только из трансформатора и диода, с простым резистором, размещенным на выходе источника питания для ограничения зарядного тока.
В импульсном источнике питания (SMPS) входной переменный ток сети напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Полученное постоянное напряжение затем включается и выключается на высокой частоте с помощью электронной схемы переключения, тем самым создавая переменный ток, который будет проходить через высокочастотный 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 тех, 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 постоянного напряжения. Если в SMPS используется надлежащим образом изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети; эта функция часто необходима для безопасности.
Импульсные источники питания обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения источник питания использует контроллер обратной связи, который отслеживает ток, потребляемый нагрузкой. Рабочий цикл переключения увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.
ИБП часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или схема замыкания , чтобы помочь защитить устройство и пользователя от вреда. [1] В случае обнаружения ненормального высокого тока потребления импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как будет нанесен ущерб. Блоки питания ПК часто подают сигнал о хорошем питании на материнскую плату; отсутствие этого сигнала предотвращает работу при наличии ненормальных напряжений питания.
Некоторые ИБП имеют абсолютный предел минимального выходного тока. [2] Они способны выдавать только мощность выше определенного уровня и не могут работать ниже этой точки. В состоянии без нагрузки частота цепи нарезки мощности увеличивается до большой скорости, заставляя изолированный трансформатор действовать как катушка Тесла , вызывая повреждения из-за возникающих в результате очень высоких скачков напряжения. Импульсные источники питания с защитными цепями могут кратковременно включаться, но затем выключаться, когда нагрузка не обнаружена. К источнику питания можно подключить очень маленькую маломощную фиктивную нагрузку, такую как керамический резистор или 10-ваттная лампочка, чтобы он мог работать без подключенной первичной нагрузки.
Импульсные блоки питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкие коэффициенты мощности и также были значительными источниками помех на линии (из-за индуцированных гармоник и переходных процессов в линии электропередачи). В простых импульсных блоках питания входной каскад может искажать форму волны напряжения линии, что может отрицательно влиять на другие нагрузки (и приводить к плохому качеству электроэнергии для других потребителей электроэнергии), а также вызывать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования. Кроме того, клиенты несут более высокие счета за электроэнергию при работе с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые импульсные блоки питания компьютеров выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные коммутационные каскады для уменьшения помех на линии.
Емкостный источник питания (безтрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатора для снижения напряжения сети до меньшего переменного напряжения. Обычно полученное пониженное переменное напряжение 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 снижения напряжения должен выдерживать полное напряжение сети, а также иметь достаточную емкость для поддержки максимального тока нагрузки при номинальном выходном напряжении. В совокупности эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа питания маломощными приложениями.
Функция линейного регулятора напряжения заключается в преобразовании переменного постоянного напряжения в постоянное, часто определенное, более низкое постоянное напряжение. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от перегрузки по току (чрезмерного, потенциально разрушительного тока).
Постоянное выходное напряжение требуется во многих приложениях с источниками питания, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет меняться в зависимости от изменений сопротивления нагрузки. Кроме того, когда источником энергии является нерегулируемый источник питания постоянного тока, его выходное напряжение также будет меняться в зависимости от изменения входного напряжения. Чтобы обойти это, некоторые источники питания используют линейный регулятор напряжения для поддержания выходного напряжения на постоянном значении, независимо от колебаний входного напряжения и сопротивления нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсации и шума на выходном напряжении.
Источник питания переменного тока обычно берет напряжение из розетки ( сетевой источник питания ) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемого напряжения. Также может иметь место некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется изолирующим трансформатором . Другие трансформаторы источника питания переменного тока не обеспечивают изоляцию сети; они называются автотрансформаторами ; переменный выходной автотрансформатор известен как вариак . Другие виды источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока , а выходное напряжение может меняться в зависимости от сопротивления нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильная аккумуляторная батарея), инвертор и повышающий трансформатор могут использоваться для преобразования его в переменный ток. Портативное питание переменного тока может обеспечиваться генератором переменного тока, работающим от дизельного или бензинового двигателя (например, на строительной площадке, в автомобиле или на лодке или в качестве резервного источника питания для аварийных служб), ток которого передается в схему регулятора для обеспечения постоянного напряжения на выходе. Некоторые виды преобразования переменного тока не используют трансформатор. Если выходное и входное напряжения одинаковы, а основное назначение устройства — фильтрация переменного тока, его можно назвать сетевым кондиционером . Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания . Схема может быть спроектирована с топологией умножителя напряжения для непосредственного повышения переменного тока; ранее таким применением был приемник переменного тока/постоянного тока на вакуумной лампе .
В современном использовании источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты и напряжения, их часто используют производители 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.
Адаптер переменного тока — это блок питания, встроенный в вилку сетевого шнура переменного тока . Адаптеры переменного тока также известны под другими названиями, такими как «plug pack» или «plug-in adapter», или жаргонными терминами, такими как «wall wart». Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по жестко смонтированному 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 трансформатора ; в случае выхода постоянного тока адаптеры состоят либо из трансформатора с несколькими диодами и конденсаторами, либо могут использовать схему импульсного источника питания. Адаптеры переменного тока потребляют энергию (и создают электрические и магнитные поля), даже когда не подключены к нагрузке; по этой причине их иногда называют «электрическими вампирами», и их можно подключать к сетевым фильтрам , чтобы их было удобно включать и выключать.
Программируемый источник питания (PPS) — это источник, который позволяет дистанционно управлять своей работой через аналоговый вход или цифровой интерфейс, такой как RS-232 или GPIB . Контролируемые свойства могут включать напряжение, ток и, в случае источников питания переменного тока, частоту. Они используются в самых разных приложениях, включая автоматизированное тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов , производство полупроводников и рентгеновские генераторы.
Программируемые блоки питания обычно используют встроенный микрокомпьютер для управления и мониторинга работы блока питания. Блоки питания, оснащенные компьютерным интерфейсом, могут использовать фирменные протоколы связи или стандартные протоколы и языки управления устройствами, такие как SCPI .
Источник бесперебойного питания (ИБП) получает питание от двух или более источников одновременно. Обычно он питается напрямую от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумуляторную батарею. В случае отключения или сбоя сети аккумуляторная батарея мгновенно берет на себя работу, чтобы нагрузка никогда не испытывала прерывания. Мгновенно здесь следует определить скорость электричества в проводниках, которая несколько близка к скорости света. Это определение важно, поскольку передача высокоскоростных данных и услуг связи должна иметь непрерывность/БЕЗ перерыва этой услуги. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако при высокоскоростных данных даже 4 мс времени перехода от одного источника к другому недостаточно. Переход должен осуществляться методом разрыва перед включением. ИБП, отвечающий этому требованию, называется настоящим ИБП или гибридным ИБП. То, сколько времени будет обеспечивать ИБП, чаще всего основано на батареях и в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от квазиминимума 5–15 минут до часов или даже дней. Во многих компьютерных установках времени работы от батарей достаточно только для того, чтобы дать операторам время для упорядоченного отключения системы. Другие схемы ИБП могут использовать двигатель внутреннего сгорания или турбину для подачи питания во время отключения электроэнергии, а время работы от батарей зависит от того, как долго генератор будет находиться в сети, и от критичности обслуживаемого оборудования. Такая схема используется в больницах, центрах обработки данных, колл-центрах, сотовых станциях и центральных телефонных станциях.
Высоковольтный источник питания — это тот, который выдает сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, который предотвращает искрение , пробой изоляции и случайный контакт с человеком. Разъемы федерального стандарта обычно используются для приложений выше 20 кВ, хотя другие типы разъемов (например, разъем SHV ) могут использоваться при более низком напряжении. Некоторые высоковольтные источники питания обеспечивают аналоговый вход или цифровой интерфейс связи, который можно использовать для управления выходным напряжением. Высоковольтные источники питания обычно используются для ускорения и управления электронными и ионными пучками в таком оборудовании, как рентгеновские генераторы , электронные микроскопы и колонны с фокусированным ионным пучком , а также в ряде других приложений, включая электрофорез и электростатику .
Высоковольтные источники питания обычно подают большую часть своей входной энергии на инвертор мощности , который в свою очередь управляет умножителем напряжения или высоким коэффициентом трансформации, высоковольтным трансформатором или обоими (обычно трансформатором, за которым следует умножитель) для получения высокого напряжения. Высокое напряжение выводится из источника питания через специальный разъем и также подается на делитель напряжения , который преобразует его в низковольтный измерительный сигнал, совместимый с низковольтной схемой. Измерительный сигнал используется контроллером замкнутого контура, который регулирует высокое напряжение, управляя входной мощностью инвертора, и он также может передаваться из источника питания, чтобы позволить внешней схеме контролировать выходное высокое напряжение.
Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах декартовой плоскости напряжения/тока, что означает, что он будет генерировать положительные и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания регулирования. [3] Когда его выход управляется низкоуровневым аналоговым сигналом, он фактически является операционным усилителем с низкой полосой пропускания с высокой выходной мощностью и плавными переходами через ноль. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях. [ нужен пример ]
Пригодность конкретного источника питания для приложения определяется различными атрибутами источника питания, которые обычно перечислены в спецификации источника питания . Обычно указываемые атрибуты для источника питания включают:
Обычно используемые сокращения в спецификациях источников питания:
Источник питания электрической системы имеет тенденцию генерировать тепло. Чем выше эффективность, тем меньше тепла генерируется источником питания. Существует много способов управления теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории — конвекция и проводимость . Обычные методы конвекции для охлаждения электронных блоков питания включают естественный поток воздуха, принудительный поток воздуха или другой поток жидкости над блоком. Обычные методы охлаждения проводимостью включают радиаторы , холодные пластины и термокомпаунды.
Источники питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели являются двумя часто используемыми механизмами для защиты от перегрузки. [4]
Предохранитель содержит короткий кусок провода, который плавится, если протекает слишком большой ток. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование прекращает работу до тех пор, пока не будет выявлена проблема, вызвавшая перегрузку, и предохранитель не будет заменен. Некоторые блоки питания используют очень тонкую проволочную перемычку, припаянную в качестве предохранителя. Предохранители в блоках питания могут быть заменены конечным пользователем, но предохранители в потребительском оборудовании могут потребовать инструментов для доступа и замены.
Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревается, изгибается и приводит в действие пружину, которая отключает цепь. После того, как элемент остынет и проблема будет определена, автоматический выключатель можно будет сбросить и восстановить питание.
Некоторые блоки питания используют тепловой выключатель , скрытый в трансформаторе, а не предохранитель. Преимущество в том, что он кратковременно допускает больший ток, чем максимально допустимый непрерывный ток. Некоторые такие выключатели являются самовосстанавливающимися, некоторые предназначены только для одноразового использования.
Некоторые источники питания используют ограничение тока вместо отключения питания при перегрузке. Два типа ограничения тока, которые используются, — это электронное ограничение и ограничение импеданса. Первый тип распространен в лабораторных источниках питания, второй — в источниках с выходной мощностью менее 3 Вт.
Ограничитель тока с обратной связью уменьшает выходной ток до уровня, значительно меньшего максимального тока без сбоев.
Источники питания являются фундаментальным компонентом многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных областях. Этот список — лишь небольшой пример множества областей применения источников питания.
Современный компьютерный блок питания — это импульсный блок питания, который преобразует переменный ток из сети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные блоки питания заменили линейные блоки питания из-за улучшений стоимости, веса, эффективности и размера. Разнообразный набор выходных напряжений также имеет сильно различающиеся требования к току потребления.
Электромобили — это те, которые полагаются на энергию, создаваемую посредством генерации электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования мощности аккумулятора транспортного средства высокого напряжения.
Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов путем их расплавления. Электричество подается источником сварочного тока и может быть как переменного, так и постоянного тока . Для дуговой сварки требуются высокие токи, обычно от 100 до 350 ампер . Некоторые типы сварки могут использовать всего 10 ампер, в то время как некоторые приложения точечной сварки используют токи до 60 000 ампер в течение чрезвычайно короткого времени. Источники сварочного тока состояли из трансформаторов или двигателей, приводящих в действие генераторы ; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать микропроцессорное управление.
Как коммерческие, так и военные авиационные системы требуют либо DC-DC, либо AC/DC источник питания для преобразования энергии в полезное напряжение. Они часто могут работать на частоте 400 Гц в интересах экономии веса.
Это касается конвейеров, сборочных линий, считывателей штрихкодов, камер, двигателей, насосов, полуфабрикатов и многого другого.
К ним относятся аппараты искусственной вентиляции легких, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, системы визуализации и кровати.
