Ссылка на
страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для
дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела
ВВЕДЕНИЕ
Питание — это основа любой электронной системы, а источник питания — это то, что питает систему. Выбор правильного источника питания может иметь решающее значение между оптимальной производительностью и нестабильными результатами.
Помимо источников питания переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), также доступны преобразователи постоянного тока в постоянный. В этих указаниях по применению рассматриваются только источники питания переменного тока в постоянный, однако, если в вашей системе уже имеется постоянный ток, преобразователь постоянного тока в постоянный может быть лучшим выбором.
Источники питания постоянного тока бывают нерегулируемые и регулируемые. Регулируемые источники питания выпускаются в нескольких вариантах, включая линейные, импульсные и аккумуляторные.
В данной статье представлена следующая информация:
Типы блоков питания
Важные характеристики, которые следует учитывать
Часто задаваемые вопросы
ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ AC-DC
Источник питания берет переменный ток из сетевой розетки, преобразует его в нерегулируемый постоянный ток и снижает напряжение с помощью входного силового трансформатора, обычно понижая его до напряжения, требуемого нагрузкой. По соображениям безопасности трансформатор также отделяет выходной источник питания от входной сети.
Рисунок 1, Рисунок 2 и Рисунок 3 иллюстрируют общий переход от переменного тока к постоянному.
Толкование переменного и постоянного тока
Переменный ток генерируется электронами, движущимися в переменных направлениях. Постоянный ток генерируется электронами, движущимися только в одном направлении.
Переменный ток также называют сетевым электричеством, бытовым током, бытовой электроэнергией, линейной мощностью или настенной мощностью, поскольку это напряжение, подаваемое через настенную розетку. Во всем мире напряжение переменного тока варьируется от 100 до 240 В. Скорость изменения направления обычно составляет от 50 до 60 раз в секунду и обозначается в герцах (Гц). Две наиболее распространенные частоты: 50 Гц и 60 Гц.
Оборудование, предназначенное для использования переменного тока, как правило, требует большого напряжения, поэтому напряжение понижается не так часто, как оборудование, использующее постоянный ток.
Постоянный ток обеспечивает постоянную подачу тока к устройству. Поскольку изначально подается переменный ток, сначала необходимо преобразовать мощность из переменного тока в постоянный.
Большинству небольших электронных устройств (таких как ноутбуки и бытовые гаджеты) для работы требуется постоянный ток с преобразователем переменного тока в постоянный от сети. Переменный ток используется в оборудовании с двигателями (например, в холодильниках). Какой тип тока использовать, зависит от питаемой нагрузки.
ХОТЯ И AC, И DC МОГУТ ВАС УДАРИТЬ AC ЯВЛЯЕТСЯ БОЛЬШИМ РИСКОМ, ПОТОМУ ЧТО ТЕКУЩАЯ МОЩНОСТЬ НАМНОГО БОЛЬШЕ. УБЕДИТЕСЬ, ЧТО ВСЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПОДКЛЮЧЕННОЕ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ИМЕЕТ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ИЛИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ ЦЕПИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ, (GFCI).
Переменный ток принимает форму синусоидальной волны, при этом напряжение с течением времени меняется от положительного к отрицательному.
Рисунок 1. Переменный ток от настенной розетки
На первом этапе процесса напряжение выпрямляется с помощью набора диодов. Выпрямление преобразует синусоидальный переменный ток. Выпрямитель преобразует синусоидальные волны в серию положительных пиков.
Рисунок 2. Полноволновое выпрямление
После выпрямления напряжения в форме сигнала все еще остаются колебания (время между пиками), которые необходимо устранить. Выпрямленное переменное напряжение затем фильтруется или «сглаживается» конденсатором.
Конденсатор обычно имеет довольно большой размер и создает резервуар энергии, которая подается на нагрузку при падении выпрямленного напряжения. Поступающая энергия сохраняется в конденсаторе по нарастающему фронту и расходуется при падении напряжения. Это значительно уменьшает величину падения напряжения и сглаживает напряжение. Увеличение емкости конденсатора обычно обеспечивает более качественный источник питания.
На рисунке 3 показано выпрямленное напряжение и принцип работы конденсатора по сглаживанию провисания.
Рисунок 3. Полноволновое выпрямление + конденсатор.
После завершения преобразования напряжения на выходе все еще остаются некоторые изменения, называемые пульсациями. В регулируемом источнике питания напряжение затем проходит через стабилизатор для создания фиксированного выходного постоянного тока с меньшими пульсациями.
СРАВНЕНИЕ БЛОКОВ ПИТАНИЯ
Источники питания постоянного тока бывают двух видов: нерегулируемые и регулируемые. Нестабилизированный источник питания является самым простым типом источника питания и не способен подавать на нагрузку постоянное напряжение, в отличие от регулируемых источников питания. Регулируемые источники питания выпускаются в нескольких вариантах, включая линейные, импульсные и аккумуляторные.
Линейные преобразователи являются наименее сложными, но при этом выделяют больше всего тепла, тогда как переключаемые преобразователи более сложны и холодны, но создают больше шума. Батареи обычно представляют собой переключаемые преобразователи. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки, но то, какой из них использовать, будет зависеть в основном от типа приложения и условий, в которых оно будет запускаться.
В таблице 1 показано, как классифицируются типы источников питания, и суммированы многие плюсы и минусы каждого типа.
Таблица 1. Типы источников питания
ТЕОРИЯ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Поскольку нестабилизированные источники питания не имеют встроенных регуляторов напряжения, они обычно предназначены для выработки определенного напряжения при определенном максимальном выходном токе нагрузки. Обычно это настенные зарядные устройства, которые преобразуют переменный ток в небольшую струйку постоянного тока и часто используются для питания таких устройств, как бытовая электроника. Это наиболее распространенные адаптеры питания, их прозвали «настенной бородавкой».
Выходное напряжение постоянного тока зависит от внутреннего понижающего трансформатора напряжения и должно быть максимально точно согласовано с током, требуемым нагрузкой. Обычно выходное напряжение уменьшается по мере увеличения выходного тока нагрузки.
При использовании нерегулируемого источника питания постоянного тока выходное напряжение зависит от размера нагрузки. Обычно он состоит из выпрямителя и сглаживающего конденсатора, но не имеет регулирования для стабилизации напряжения. Он может иметь схемы безопасности и лучше всего подходит для приложений, не требующих точности.
Рисунок 4. Блок диаграмма—Нерегулируемые линейные источники питания
Преимущества нерегулируемых источников питания в том, что они долговечны и могут быть недорогими. Однако их лучше всего использовать, когда точность не является обязательным требованием. Они имеют остаточную пульсацию, аналогичную той, что показана на рисунке 3.
ПРИМЕЧАНИЕ. Компания Wavelength не рекомендует использовать нестабилизированные источники питания с любыми нашими продуктами.
ТЕОРИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Регулируемый источник питания постоянного тока по сути представляет собой нерегулируемый источник питания с добавлением стабилизатора напряжения. Это позволяет напряжению оставаться стабильным независимо от величины тока, потребляемого нагрузкой, при условии, что заданные пределы не превышаются.
Рисунок 5. Блок-схема — регулируемого источника питания
В регулируемых источниках питания схема постоянно измеряет часть выходного напряжения и настраивает систему, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом значении. Во многих случаях в комплект входят дополнительные схемы для ограничения тока или напряжения, фильтрации шума и регулировки выходного сигнала.
ЛИНЕЙНЫЙ, ИМПУЛЬСНЫЙ ИЛИ АККУМУЛЯТОРНЫЙ?
Существует три подгруппы регулируемых источников питания: линейные, импульсные и аккумуляторные. Из трех основных схем регулируемого электропитания линейная является наименее сложной системой, однако импульсное и аккумуляторное питание имеют свои преимущества.
ЛИНЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Линейные источники питания используются, когда наиболее важными являются точное регулирование и устранение шума. Хотя они не являются самым эффективным источником питания, они обеспечивают наилучшую производительность. Название происходит от того факта, что они не используют переключатель для регулирования выходного напряжения.
Линейные источники питания доступны уже много лет, и их использование широко распространено и надежно. Они также относительно бесшумны и коммерчески доступны. Недостаток линейных источников питания заключается в том, что они требуют более крупных компонентов, поэтому они крупнее и рассеивают больше тепла, чем импульсные источники питания. По сравнению с импульсными источниками питания и батареями они также менее эффективны, иногда демонстрируя КПД всего 50%.
КОММУТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Импульсные источники питания (SMPS) сложнее сконструировать, но они имеют большую универсальность в полярности и при правильной конструкции могут иметь КПД 80% и более. Хотя в них больше компонентов, они меньше и дешевле, чем линейные источники питания.
Рисунок 6. Блок-схема — регулируемый импульсный источник питания
Одним из преимуществ коммутируемого режима является меньшие потери на переключателе. Поскольку SMPS работают на более высоких частотах, они могут излучать шум и создавать помехи другим цепям. Необходимо принять меры по подавлению помех, такие как экранирование и соблюдение протоколов компоновки.
Преимущества импульсного источника питания заключаются в том, что он обычно небольшой и легкий, имеет широкий диапазон входного напряжения и более высокий выходной диапазон и намного более эффективен, чем линейный источник питания. Однако импульсный источник питания имеет сложную схему, может загрязнять сеть переменного тока, более шумен и работает на высоких частотах, что требует подавления помех.
НА БАТАРЕЕ Питание от аккумуляторной батареи представляет собой третий тип источника питания и, по сути, представляет собой мобильный аккумулятор энергии. Они производят незначительный шум, мешая работе электроники, но теряют емкость и не обеспечивают постоянное напряжение по мере разрядки. Большинству аккумуляторов сложно подобрать правильное напряжение в соответствии с нагрузкой. Использование батареи, мощность которой может превышать внутреннюю рассеиваемую мощность драйвера или контроллера, может привести к повреждению вашего устройства.
ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
При выборе источника питания необходимо учитывать несколько требований.
Требования к питанию нагрузки или цепи, включая напряжение и ток.
Функции безопасности для защиты нагрузки, такие как ограничения напряжения и тока, регулирование нагрузки, защита от перенапряжения и перегрузки.
Физический размер и эффективность.
Помехоустойчивость системы.
ВАЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Хотя все характеристики источника питания важны, некоторые из них более важны, чем другие. Несколько технических характеристик:
Выходной ток: максимальный ток, который может быть подан на нагрузку.
Регулирование нагрузки. Регулирование нагрузки — это то, насколько хорошо регулятор может поддерживать свою выходную мощность при изменении тока нагрузки, и обычно измеряется в милливольтах (мВ) или как максимальное выходное напряжение.
Шум и пульсация. Шум — это любые дополнительные и нежелательные электронные помехи, а пульсация — это небольшое изменение напряжения при преобразовании переменного тока в постоянный. Обычно они объединяются в одно измерение. В импульсных источниках питания измерения даются в размахе, показывая степень всплесков шума, возникающих при переключении.
Защита от перенапряжения. Иногда выходное напряжение может превышать номинальные значения и может повредить нагрузку. Защита от перенапряжения представляет собой схему, которая отключает источник питания в случае превышения предельных значений напряжения.
Защита от перегрузки. Защита от перегрузки — это мера безопасности, используемая для предотвращения повреждений в случае короткого замыкания или перегрузки по току. Подобно автоматическому выключателю в доме, защита от перегрузки отключает подачу электроэнергии, чтобы нагрузка не была повреждена.
Эффективность. Эффективность — это соотношение мощности, получаемой из электросети, которая эффективно преобразуется в мощность постоянного тока. Хороший источник питания SMPS будет работать с КПД не менее 80% и при правильной конструкции системы может работать даже с более высокими показателями. Эффективная система уменьшит выделение тепла и может сэкономить энергию
Предупреждение о текущей перегрузке. Наряду с вышеуказанными соображениями, источник питания должен работать с током ниже максимального номинального выходного тока. Нагрузки, потребляющие больший ток, чем рассчитан адаптер, могут привести к нестабильным результатам или повреждению устройства.
Перегрузка преобразователя может привести к перегреву и, в конечном итоге, к выходу из строя, что может привести к возгоранию или повреждению самой нагрузки.
ШУМ И ПУЛЬСИВНОСТЬ
Шум и пульсации являются артефактами преобразования переменного тока в постоянный и, среди прочего, являются побочными продуктами выпрямления и переключения. Это важные характеристики, на которые следует обратить внимание, поскольку они могут негативно повлиять на чувствительные приборы. Если шум и пульсации очень высоки, малые сигналы могут быть подавлены или срок службы оборудования может значительно сократиться. Тем не менее, шум и пульсации можно практически устранить с помощью высококачественного источника питания.
Во время преобразования переменного тока в постоянный переменную синусоидальную волну невозможно полностью подавить. Возникающие в результате небольшие колебания напряжения от пика к пику называются пульсациями. Во многих случаях величина колебаний зависит от того, насколько хорошо источник питания согласован с нагрузкой.
Шум — это нежелательные добавки, возникающие за пределами обычной пульсации. Он исходит из многих других источников, включая коммутационные и электронные помехи, генерируемые за пределами источника питания, например, от расположенного поблизости оборудования. Шум обычно возникает в сочетании с пульсацией и является гораздо более изменчивым и непредсказуемым. Шум переключения обычно возникает на очень высоких частотах.
На рис. 7 приведен пример шума (создаваемого при переключении) и пульсаций в источнике питания среднего качества.
Рисунок 7. Пульсации и шум для регулируемого, переключаемого источника питания, типичный источник питания среднего качества.
На рисунке 8 показан потенциал шума в регулируемом линейном источнике питания. Хотя пульсации гораздо меньше, чем пульсации регулируемого импульсного источника питания, они все же могут быть достаточно значительными, чтобы замаскировать данные.
Рисунок 8. Пульсации и шум для регулируемой линейной мощности, типичный представитель источника питания среднего качества
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Какой ток необходим моему блоку питания? Хорошее эмпирическое правило — объединить величину тока возбуждения, необходимого для удовлетворения потребностей нагрузки, и тока, необходимого для питания контроллеров, а затем добавить 10% в качестве буфера.
Могу ли я использовать один и тот же источник питания для управления температурным и лазерным контроллерами? Да, если выбранное напряжение соответствует потребностям нагрузки и находится в пределах безопасной рабочей зоны (SOA) контроллера. Убедитесь, что лазер, термоэлектрический датчик и датчик температуры не заземлены.
Дополнительную информацию о SOA см. в разделе «Примечания по применению».
AN-LDTC01: Принцип безопасной рабочей зоны.
Дополнительную информацию о заземлении см. в Примечаниях по применению AN-LD16: Заземление с помощью специальных конфигураций лазерных диодов.
Могу ли я использовать один и тот же источник питания для одновременного управления несколькими терморегуляторами? Да, но их следует соединять звездой (индивидуально), а не последовательными (связанными) соединениями, чтобы избежать проблем с обрывом линии и обеспечить одинаковое напряжение на каждом устройстве.
Дополнительную информацию см. в разделе FAQ1171: Как подключить несколько драйверов или контроллеров к одному источнику питания?
Могу ли я использовать источник питания 30 В с регулятором температуры, технические характеристики которого рассчитаны на напряжение 5–30 В? Да, если напряжение нагрузки достаточно высокое. Используйте калькулятор безопасной рабочей зоны (SOA) для контроллера, чтобы определить, совместимы ли нагрузка и напряжение источника питания.
Могу ли я использовать источник питания 4,5 В? Ознакомьтесь с минимальными техническими характеристиками контроллера в разделе «Абсолютные максимумы» таблицы данных. Если разрешено, вычтите падение напряжения на контроллере из 4,5 В, чтобы проверить, хватит ли напряжения на нагрузке.
Какой длины должны быть мои кабели? Более длинные кабели создают больше шума и допускают большее падение напряжения между источником питания и нагрузкой. Чтобы свести к минимуму влияние шума, скрутите кабели вместе или используйте экранированные кабели. Чтобы минимизировать падение напряжения, делайте их как можно короче.
Какого сечения провод мне следует использовать? Манометр определяет допустимую нагрузку по току и должен превышать спецификацию нагрузки. Например, используя таблицу 2, в которой показаны некоторые стандартные сечения и допустимые нагрузки, для нагрузки 2 А потребуется провод 20 калибра, а не 22 калибра. Это связано с тем, что провод 20 калибра пропускает ток 3,2 А. что превышает требование 2 А.
Таблица 2. Американский калибр проволоки (AWG) для сплошной проволоки
НЕМНОГО ИСТОРИИ
На момент появления электрораспределения стандартным током в Европе был переменный ток (AC), а в США — постоянный ток (DC). Главной электрической нагрузкой была лампочка, которая была разработана Томасом А. Эдисоном для использования постоянного тока. Первая конкуренция между системами распределения электроэнергии, которые будут доминировать на рынке США, называлась «Война токов» и обычно олицетворялась как конфликт между изобретателем Эдисоном (Con Edison/General Electric) и предпринимателем Джорджем Вестингаузом (Westinghouse Electric), который инвестировал в Технология переменного тока как метод распределения электроэнергии. Конфликт на самом деле был гораздо масштабнее: американские и европейские компании были лично заинтересованы в упадке того или иного типа.
Недостатком переменного тока в то время было то, что нагрузка на систему влияла при включении и выключении приборов, что влияло на других, использующих линию. Преимущество постоянного тока заключалось в том, что он использовал только необходимый ток и не влиял на остальную нагрузку на линии.
К несчастью для сторонников постоянного тока, падение напряжения на проводах от источника к выходу было значительным, и разные напряжения не могли передаваться по одним и тем же проводам. Это означало, что для производства постоянного тока требовалось, чтобы электростанции были расположены в пределах нескольких миль от пункта назначения и проложены несколько проводов для каждого необходимого напряжения, и то и другое было непомерно дорого для сельских сообществ. Еще одним недостатком было то, что постоянный ток действительно был возможен только для небольших приборов, поскольку низкое напряжение было слишком неэффективно, чтобы его можно было масштабировать для технологий, требующих больших напряжений.
Напротив, высокое напряжение переменного тока можно было передавать по одной линии на очень большие расстояния, на сотни миль, и, следовательно, требовалось меньшее количество электростанций. Передача переменного тока привела к очень небольшому падению напряжения, и затем напряжение можно было снизить с помощью трансформаторов до желаемой величины, необходимой в пункте назначения. Кроме того, с ростом индустриализации высокое напряжение стало желательным для больших нагрузок, таких как железные дороги и промышленные двигатели.
Конкуренция между сторонниками переменного и постоянного тока продолжалась до тех пор, пока серия мероприятий, присуждение контрактов и полевые испытания не доказали, что линии электропередачи переменного тока были наиболее экономичными, хотя линии постоянного тока продолжали использоваться вплоть до 20-го века. Поскольку большинство приборов, разработанных Эдисоном, были устройствами постоянного тока, потребность в постоянном токе была острой. Поскольку переменный ток можно понизить до любого напряжения постоянного тока, системы постоянного тока все еще используются.
Магазин
Gtest® - официальный поставщик источников (блоков) питания
постоянного тока в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/bloky-pitaniya
