Источник питания — это электрическое устройство, которое подает электроэнергию на электрическую нагрузку . Основная цель источника питания — преобразовать электрический ток от источника в нужное напряжение , ток и частоту для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называют преобразователями электроэнергии . Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные элементы оборудования, тогда как другие встроены в нагрузочные устройства, которые они питают. Примеры последних включают блоки 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 электрического сбоя , кондиционирование питания для предотвращения попадания электронного шума или скачков напряжения на входе на нагрузку , коррекция коэффициента и сохранение энергии, чтобы она могла продолжать питать нагрузку в случае временного перерыва в питании источника ( источник бесперебойного питания ).
Все источники питания имеют входное соединение, которое получает энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько выходных или рельсовых соединений, которые подают ток в нагрузку. Источник питания может поступать из электрической сети , например, из электрической розетки , устройств хранения энергии , таких как батареи или топливные элементы , генераторов или генераторов переменного тока , преобразователей солнечной энергии или другого источника питания. Вход и выход обычно представляют собой проводные соединения, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания нагрузки без проводных соединений. Некоторые источники питания также имеют входы и выходы других типов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.
Блоки питания классифицируются по различным признакам, в том числе по функциональным особенностям. Например, регулируемый источник питания — это источник питания, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выходная мощность нестабилизированного источника питания может значительно измениться 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 того и другого. Регулируемый стабилизированный источник питания — это источник, который одновременно регулируется и регулируется. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, электрически независимую от входной мощности; в этом отличие от других источников питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом питания.
Источники питания упаковываются по-разному и классифицируются соответствующим образом. Стендовый источник питания — это автономный настольный блок, используемый в таких приложениях, как тестирование и разработка схем . Источники питания с открытым корпусом имеют лишь частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; они обычно встроены в машины или другое оборудование. Блоки питания для монтажа в стойку предназначены для установки в стандартные стойки для электронного оборудования. Интегрированный источник питания — это источник питания , который использует 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 сетевой розетке; Настенная бородавка — это внешний источник питания, встроенный в саму вилку розетки. Они популярны в бытовой электронике из-за своей безопасности; Опасный основной ток напряжением 120 или 240 В преобразуется в более безопасное напряжение перед попаданием в корпус прибора.
Источники питания можно условно 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 входная мощность перед обработкой преобразуется в импульсы переменного или постоянного тока с помощью компонентов, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторов, которые большую часть времени проводят в режиме 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 работает от входного напряжения переменного тока и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от требований применения выходное напряжение может содержать большие или незначительные количества частотных составляющих переменного тока, известных как пульсирующее напряжение , связанных с частотой входного переменного напряжения и работой источника питания. Источник питания постоянного тока, работающий от входного напряжения постоянного тока, называется преобразователем постоянного тока в постоянный . В этом разделе основное внимание уделяется варианту преобразования переменного тока в постоянный.
В линейном источнике питания входное переменное напряжение проходит через силовой трансформатор , а затем выпрямляется и фильтруется для получения напряжения постоянного тока. Фильтрация уменьшает амплитуду частоты сети переменного тока, присутствующей на выходе выпрямителя, и может быть простой, например, с использованием одного конденсатора, или более сложной, например, с помощью пи-фильтра . Допуск пульсаций электрической нагрузки определяет минимальную степень фильтрации, которую должен обеспечивать источник питания. В некоторых приложениях пульсацию можно полностью игнорировать. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов источник питания состоит только из трансформатора и диода, а на выходе источника питания установлен простой резистор для ограничения зарядного тока.
В импульсном источнике питания (SMPS) входной переменный ток напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения напряжения постоянного тока. Полученное постоянное напряжение затем включается и выключается на высокой частоте с помощью электронной схемы переключения, создавая таким образом переменный ток, который проходит через высокочастотный трансформатор или индуктор. Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц — 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и конденсаторы фильтров, 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 ИИП используется высокочастотный трансформатор с адекватной изоляцией, выход будет электрически изолирован от сети; эта функция часто важна для безопасности.
Импульсные источники питания обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения в источнике питания используется контроллер обратной связи, который контролирует ток, потребляемый нагрузкой. Рабочий цикл переключения увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.
SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или ломовую схему , которые помогают защитить устройство и пользователя от вреда. [1] В случае обнаружения аномального сильноточного энергопотребления импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как произойдет повреждение. Блоки питания ПК часто подают на материнскую плату сигнал о наличии питания ; отсутствие этого сигнала предотвращает работу при наличии аномального напряжения питания.
Некоторые SMPS имеют абсолютный предел минимального выходного тока. [2] Они способны выдавать мощность только выше определенного уровня и не могут работать ниже этого уровня. В состоянии холостого хода частота схемы ограничения мощности увеличивается до огромной скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как катушка Теслы , что приводит к повреждению из-за возникающих в результате скачков мощности очень высокого напряжения. Импульсные источники питания со схемами защиты могут на короткое время включиться, но затем отключиться, когда нагрузка не обнаружена. К источнику питания можно подключить очень небольшую фиктивную нагрузку малой мощности, такую как керамический силовой резистор или 10-ваттную лампочку, чтобы он мог работать без подключенной первичной нагрузки.
Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкий коэффициент мощности , а также были значительными источниками сетевых помех (из-за наведенных гармоник в сети и переходных процессов). В простых импульсных источниках питания входной каскад может искажать форму сигнала линейного напряжения, что может отрицательно повлиять на другие нагрузки (и привести к ухудшению качества электроэнергии для других потребителей коммунальных услуг), а также вызвать 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 каскады переключения для уменьшения сетевых помех.
Емкостный источник питания (бестрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатора для снижения напряжения сети до меньшего напряжения переменного тока. 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 избежать воздействия на людей и оборудование опасного высокого напряжения, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано.
Конденсатор понижения напряжения должен выдерживать полное сетевое напряжение, а также иметь достаточную емкость, чтобы поддерживать максимальный ток нагрузки при номинальном выходном напряжении. В совокупности эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа источника питания в приложениях с низким энергопотреблением.
Функция линейного регулятора напряжения заключается в преобразовании изменяющегося напряжения постоянного тока в постоянное, часто определенное, более низкое напряжение постоянного тока. 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 электропитания, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет меняться в зависимости от изменений импеданса нагрузки. Более того, когда источником энергии является нерегулируемый источник постоянного тока, его выходное напряжение также будет меняться с изменением входного напряжения. Чтобы обойти это, в некоторых источниках питания используется линейный стабилизатор напряжения, поддерживающий стабильное значение выходного напряжения, независимо от колебаний входного напряжения и импеданса нагрузки. Линейные стабилизаторы также могут уменьшить величину пульсаций и шума выходного напряжения.
Источник питания переменного тока обычно берет напряжение из сетевой розетки 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 изолирующий трансформатор . Другие трансформаторы питания переменного тока не обеспечивают изоляции от сети; они называются автотрансформаторами ; Автотрансформатор с переменным выходом известен как вариак . Другие типы источников переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока , а выходное напряжение может меняться в зависимости от импеданса нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильный аккумулятор), для преобразования его в мощность переменного тока можно использовать инвертор и повышающий трансформатор. Портативная мощность переменного тока может обеспечиваться генератором переменного тока , работающим от дизельного или бензинового двигателя (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или в резервном источнике питания для аварийных служб), ток которого подается в цепь регулятора для обеспечения постоянное напряжение на выходе. Некоторые виды преобразования мощности переменного тока не используют трансформатор. Если выходное и входное напряжение одинаковы, и основной целью устройства является 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 использованием топологии умножителя напряжения для непосредственного повышения мощности переменного тока; Раньше таким применением был ламповый приемник переменного/постоянного тока .
В современном использовании источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. Источники питания переменного тока также можно использовать для изменения частоты и 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.
Адаптер переменного тока — это источник питания, встроенный в вилку электросети переменного тока . Адаптеры переменного тока также известны под другими названиями, такими как «штекерный блок» или «подключаемый адаптер», или под сленговыми терминами, такими как «настенная 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 различным напряжением 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 небольшим количеством диодов и конденсаторов, либо могут использовать схему импульсного источника питания. 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 их можно подключать к удлинителям , чтобы их можно было удобно включать и выключать.
Программируемый источник питания (PPS) — это источник питания, который позволяет удаленно 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 областях, включая автоматизированное тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов , производство полупроводников и генераторы рентгеновского излучения.
Программируемые источники питания обычно используют встроенный микрокомпьютер для управления и мониторинга работы источника питания. Источники питания, оснащенные компьютерным интерфейсом, могут использовать собственные 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 отказа электросети батарея мгновенно берет на себя работу, поэтому нагрузка никогда не прерывается. Здесь следует сразу определить скорость электричества внутри проводников, которая несколько близка к скорости света. Это определение важно, поскольку передача высокоскоростных данных и услуги связи должны обеспечивать непрерывность и отсутствие перерывов в работе этой услуги. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако при высокоскоростной передаче данных даже 4 мс времени при переходе от одного источника к другому недостаточно. Переход должен быть сделан в перерыве перед методом make. ИБП, отвечающий этому требованию, называется настоящим ИБП или гибридным ИБП. Сколько времени будет обеспечивать ИБП, чаще всего зависит от батарей и генераторов. Это время может варьироваться от квазиминимум 5–15 минут до часов или даже дней. Во многих компьютерных установках времени автономной работы хватает только на то, чтобы дать операторам время правильно выключить систему. В других схемах ИБП может использоваться двигатель внутреннего сгорания или турбина для подачи электроэнергии во время отключения электроэнергии, и тогда время работы от батареи зависит от того, сколько времени потребуется генератору, чтобы он был в сети, и от критичности обслуживаемого оборудования. Такая схема встречается в больницах, центрах обработки данных, колл-центрах, сотовых станциях и телефонных центральных офисах.
Высоковольтный источник питания — это источник питания, который выдает сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, предотвращающий искрение , пробой изоляции и случайное прикосновение к человеку. Разъемы Федерального стандарта обычно используются для приложений с напряжением выше 20 кВ, хотя разъемы других типов (например, разъем SHV ) могут использоваться при более низких напряжениях. Некоторые высоковольтные источники питания имеют 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 генераторы рентгеновского излучения , электронные микроскопы и колонны с фокусированными ионными пучками , а также во множестве других применений, включая электрофорез и электростатику .
Высоковольтные источники питания обычно передают большую часть входной энергии силовому инвертору , который, в свою очередь, приводит в действие умножитель напряжения или высокий коэффициент трансформации, высоковольтный трансформатор или и то, и другое (обычно за трансформатором следует умножитель) для получения высокого напряжения. Напряжение. Высокое напряжение выводится из источника питания через специальный разъем, а также подается на делитель напряжения , который преобразует его в низковольтный измерительный сигнал, совместимый с низковольтными схемами. Измерительный сигнал используется контроллером с обратной связью, который регулирует высокое напряжение путем управления входной мощностью инвертора, а также может передаваться из источника питания, чтобы позволить внешним схемам 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 выходной сигнал контролируется низкоуровневым аналоговым сигналом, он фактически представляет собой операционный усилитель с низкой полосой пропускания, высокой выходной мощностью и плавным переходом через нуль. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях. [ нужен пример ]
Пригодность конкретного источника питания для применения определяется различными характеристиками источника питания, которые обычно перечислены в его спецификации . Обычно определяемые атрибуты источника питания включают:
Часто используемые сокращения, используемые в спецификациях блоков питания:
Источник питания электрической системы имеет тенденцию выделять тепло. Чем выше КПД, тем больше тепла отводится от агрегата. Существует множество способов управления теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории – конвекцию и кондукцию . Распространенные методы конвекции для охлаждения электронных блоков питания включают естественный поток воздуха, принудительный поток воздуха или поток другой жидкости над устройством. Распространенные методы кондуктивного охлаждения включают радиаторы , охлаждающие пластины и термопасты.
Источники питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели — два широко используемых механизма защиты от перегрузки. [4]
Предохранитель содержит короткий кусок проволоки, который плавится, если протекает слишком большой ток. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена проблема, вызвавшая перегрузку, и не заменен предохранитель. В некоторых источниках питания в качестве предохранителя используется очень тонкая проволочная перемычка , припаянная на месте. Предохранители в блоках питания могут быть заменены конечным пользователем, но для доступа и замены предохранителей в потребительском оборудовании могут потребоваться инструменты.
Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревается, сгибается и приводит в действие пружину, которая размыкает цепь. Как только элемент остынет и проблема будет выявлена, выключатель можно сбросить и восстановить питание.
В некоторых блоках питания вместо предохранителя используется термопредохранитель , встроенный в трансформатор. Преимущество заключается в том, что он позволяет потреблять больший ток в течение ограниченного времени, чем устройство может подавать непрерывно. Некоторые из таких вырезов являются самовосстанавливающимися, некоторые предназначены только для одноразового использования.
Некоторые источники питания используют ограничение тока вместо отключения питания в случае перегрузки. Используются два типа ограничения тока: электронное ограничение и ограничение импеданса. Первое часто встречается в лабораторных блоках питания, второе обычно встречается в источниках питания мощностью менее 3 Вт.
Ограничитель обратного тока снижает выходной ток до значения, значительно меньшего максимального тока исправности.
Источники питания являются основным компонентом многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных приложениях. Этот список представляет собой небольшой пример многих применений источников питания.
Современный компьютерный блок питания представляет собой импульсный блок питания, который преобразует переменный ток от сети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные источники питания заменили линейные источники питания из-за улучшения стоимости, веса, эффективности и размера. Разнообразный набор выходных напряжений также имеет сильно различающиеся требования к потреблению тока.
Электромобили — это автомобили, которые полагаются на энергию, вырабатываемую за счет выработки электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования энергии аккумуляторной батареи автомобиля высокого напряжения.
Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов путем их плавления. Электричество обеспечивается сварочным источником питания и может быть переменным или постоянным током . Дуговая сварка требует больших токов, обычно от 100 до 350 ампер . Для некоторых видов сварки можно использовать всего 10 ампер, в то время как в некоторых случаях точечной сварки используются токи до 60 000 ампер в течение очень короткого времени. Источники питания для сварки состояли из трансформаторов или двигателей , приводящих в движение генераторы ; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать микропроцессорное управление.
Как коммерческим, так и военным авиационным системам требуется источник питания постоянного/постоянного или переменного/постоянного тока для преобразования энергии в полезное напряжение. Они часто могут работать на частоте 400 Гц в целях экономии веса.
Это относится к конвейерам, сборочным линиям, считывателям штрих-кодов, камерам, двигателям, насосам, полуфабрикатам и многому другому.
К ним относятся аппараты искусственной вентиляции легких, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, средства визуализации и кровати.
