В чём суть источников питания переменного и постоянного токов? Где и как они применяются?

Ссылка на страницу сайта Магазина Gtest® с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования приведены в конце данного раздела.

Понимание источников питания переменного и постоянного тока

Что такое блок питания?

Блок питания - это электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию, поступающую от источника питания, например электросети, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Основная задача блока питания - обеспечить нагрузку необходимым напряжением и током. Электроэнергия должна подаваться контролируемым образом и с высокой точностью на широкий диапазон нагрузок, не позволяя изменениям входного напряжения или другим подключенным устройствам влиять на выходные параметры.

Блок питания может быть внешним, как в ноутбуках и зарядных устройствах телефонов, либо внутренним, как в настольных компьютерах и промышленном оборудовании.

Источники питания бывают регулируемыми и нерегулируемыми. В регулируемом блоке питания изменения входного напряжения практически не влияют на выход. В нерегулируемом выход зависит от изменений на входе.

Все источники питания объединяет одно - они получают энергию на входе, преобразуют ее и передают нагрузке на выходе.

Энергия на входе и выходе может быть как переменного тока (AC), так и постоянного тока (DC).

• Постоянный ток (DC) протекает в одном направлении. Обычно он поступает от аккумуляторов, солнечных панелей или AC/DC-преобразователей. Постоянный ток является предпочтительным для питания электронных устройств.
• Переменный ток (AC) периодически изменяет направление своего движения. Именно этот тип тока используется для передачи электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия.

Поэтому для питания большинства электронных устройств требуется источник питания переменного тока, преобразующий напряжение сети в постоянное напряжение необходимого уровня.

Понимание переменного тока (AC)

Первым этапом проектирования любого источника питания является определение типа входного тока. В большинстве случаев источником питания выступает электросеть переменного тока.

Типичная форма волны переменного тока представляет собой синусоиду.

Рисунок 1. Форма волны переменного тока и основные параметры

При работе с переменным током учитываются следующие параметры:

• Пиковое напряжение или ток - максимальная амплитуда сигнала.
• Частота - количество циклов в секунду.
• Среднее значение напряжения или тока за цикл.
• Среднеквадратическое значение (RMS) - эффективное значение переменного напряжения или тока.
• Фаза - угловая разница между двумя сигналами.

Переменный ток (AC) используется для передачи электроэнергии от электростанций к конечным потребителям. Возможность эффективно изменять уровень напряжения делает его наиболее удобным способом транспортировки энергии на большие расстояния.

Генераторы вырабатывают напряжение порядка 40 кВ, после чего оно повышается до 150-800 кВ для минимизации потерь при передаче. Затем напряжение поэтапно понижается до уровней, пригодных для бытового и промышленного использования.

Линейный и импульсный источник питания AC/DC

Линейный источник питания имеет относительно простую конструкцию. С помощью трансформатора входное напряжение переменного тока понижается, затем выпрямляется и фильтруется.

Рисунок 2. Структурная схема линейного источника питания переменного и постоянного тока

Основными недостатками линейных источников питания являются большие размеры трансформаторов и значительные тепловые потери при работе с высокими мощностями.

Импульсный источник питания переменного и постоянного тока

Импульсные источники питания появились благодаря развитию современной полупроводниковой техники и мощных MOSFET-транзисторов.

В таких устройствах входное напряжение сначала выпрямляется и фильтруется, после чего преобразуется в высокочастотную последовательность импульсов. Благодаря этому используются значительно меньшие трансформаторы и достигается высокий КПД.

Рисунок 3. Блок-схема импульсного источника питания переменного и постоянного тока

Сравнение линейных и импульсных источников питания

Параметр	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Размер и вес	Требуются крупные трансформаторы, увеличивающие габариты и массу	Используются значительно меньшие трансформаторы
Эффективность	Снижается при работе с высокой мощностью	Высокий КПД благодаря коммутационным транзисторам
Шум	Минимальный у качественных регулируемых моделей	Требуется дополнительная фильтрация помех
Сложность	Простая конструкция	Более сложная схема управления

Однофазные и трехфазные источники питания

Источник переменного тока может быть однофазным или трехфазным.

• Трехфазное питание состоит из трех линий со сдвигом фаз 120° и применяется для передачи больших мощностей.
• Однофазное питание используется в жилых домах и большинстве офисных помещений.

Рисунок 4. Форма волны переменного тока трехфазного источника питания

В трехфазных сетях используются схемы соединения «Звезда» (Y) и «Треугольник» (Δ).

Рисунок 5. Трехфазные конфигурации Y и Delta

Напряжение электросетей в различных регионах мира

RMS напряжение	Пиковое значение	Частота	Регион
230 В	310 В	50 Гц	Европа, Африка, Азия, Австралия, Новая Зеландия, Южная Америка
120 В	170 В	60 Гц	Северная Америка
100 В	141 В	50/60 Гц	Япония

В Японии до сих пор используются две частоты сети: 50 Гц на востоке страны и 60 Гц на западе.

Трехфазные системы используются не только для передачи электроэнергии, но и для питания мощных нагрузок, таких как электродвигатели, зарядные станции электромобилей и промышленное оборудование.

Рисунок 6. Передача электроэнергии в однофазных и трехфазных системах

Выводы

Источники питания переменного и постоянного тока используются практически во всех электронных устройствах. Их основная задача заключается в преобразовании переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока для питания оборудования.

Однофазные системы широко применяются в быту, а трехфазные обеспечивают питание промышленного оборудования и мощных потребителей энергии.

Современные импульсные блоки питания существенно превосходят линейные решения по эффективности, компактности и функциональности, что делает их основой современной силовой электроники.

Магазин Gtest® - официальный поставщик источников (блоков) питания постоянного тока в Украине:
купить блок питания в Украине