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

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

Понимание источников питания переменного/постоянного тока

Что такое блок питания?

Блок питания — это электрическое устройство, преобразующее электрический ток, поступающий от источника питания, например, электросети, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, например, двигателя или электронного устройства.

Цель блока питания — обеспечить питание нагрузки надлежащим напряжением и током. Ток должен подаваться контролируемым образом — и с точным напряжением — на широкий диапазон нагрузок, иногда одновременно, не позволяя изменениям входного напряжения или других подключенных устройств влиять на выход.

Блок питания может быть внешним, часто встречающимся в таких устройствах, как ноутбуки и зарядные устройства для телефонов, или внутренним, например, в более крупных устройствах, таких как настольные компьютеры.

Блок питания может быть как регулируемым, так и нерегулируемым. В регулируемом блоке питания изменения входного напряжения не влияют на выход. С другой стороны, в нерегулируемом блоке питания выход зависит от любых изменений на входе.

Единственное, что объединяет все источники питания, это то, что они берут электроэнергию из источника на входе, преобразуют ее каким-либо образом и передают ее нагрузке на выходе.

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

• Постоянный ток (DC) возникает, когда ток течет в одном постоянном направлении. Обычно он поступает от батарей, солнечных батарей или преобразователей переменного тока в постоянный. Постоянный ток является предпочтительным типом питания для электронных устройств.

• Переменный ток (AC) возникает, когда электрический ток периодически меняет свое направление. Переменный ток — это метод, используемый для доставки электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия

Следовательно, если переменный ток — это тип питания, подаваемого в ваш дом, а постоянный ток — это тип питания, который вам нужен для зарядки телефона, вам понадобится источник питания переменного тока преобразующего сигнал в постоянный ток, иными словами, чтобы преобразовать переменное напряжение, поступающее из электросети, в постоянное напряжение, необходимое для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона. 

Понимание переменного тока (AC)

Первым шагом в проектировании любого источника питания является определение входного тока. И в большинстве случаев источником входного напряжения электросети является переменный ток.

Типичная форма волны переменного тока — синусоида (см. рисунок 1).`

Рисунок 1: Форма волны переменного тока и основные параметры

При работе с источником переменного тока необходимо учитывать несколько показателей:

• Пиковое напряжение/ток: максимальное значение амплитуды, которое может достичь волна

• Частота: количество циклов, которые волна совершает в секунду. Время, необходимое для завершения одного цикла, называется периодом.

• Среднее напряжение/ток: среднее значение всех точек, которые напряжение принимает в течение одного цикла. В чисто переменной волне без наложенного постоянного напряжения это значение будет равно нулю, поскольку положительные и отрицательные половины компенсируют друг друга.

• Среднеквадратичное напряжение/ток: оно определяется как квадратный корень из среднего значения за один цикл квадрата мгновенного напряжения. В чистой синусоидальной волне переменного тока его значение можно рассчитать с помощью уравнения (1): VPEAK√2VPEAK2

• Его также можно определить как эквивалентную мощность постоянного тока, необходимую для получения того же эффекта нагрева. Несмотря на его сложное определение, он широко используется в электротехнике, поскольку позволяет находить эффективное значение переменного напряжения или тока. Из-за этого его иногда выражают как VAC.

• Фаза: угловая разница между двумя волнами. Полный цикл синусоидальной волны делится на 360°, начиная с 0°, имея пики при 90° (положительный пик) и 270° (отрицательный пик) и пересекая начальную точку дважды, при 180° и 360°. Если две волны нанесены вместе, и одна волна достигает своего положительного пика в то же время, когда другая достигает своего отрицательного пика, то первая волна будет на 90°, а вторая — на 270°; это означает, что разность фаз составляет 180°. Эти волны считаются находящимися в противофазе, так как их значения всегда будут иметь противоположные знаки. Если разность фаз составляет 0°, то мы говорим, что две волны находятся в фазе. 

Переменный ток (AC) — это способ передачи электроэнергии от генерирующих установок к конечным потребителям. Он используется для транспортировки электроэнергии, поскольку в процессе транспортировки электричество необходимо преобразовывать несколько раз.

 Электрогенераторы вырабатывают напряжение около 40 000 В или 40 кВ. Затем это напряжение повышается до 150–800 кВ, чтобы снизить потери мощности при передаче электрического тока на большие расстояния. После того, как ток достигает места назначения, напряжение понижается до 4–35 кВ. Наконец, перед тем, как ток достигает отдельных пользователей, он понижается до 120 В или 240 В, в зависимости от местоположения.

Все эти изменения напряжения были бы либо сложными, либо очень неэффективными для постоянного тока (DC), поскольку линейные трансформаторы зависят от колебаний напряжения для передачи и преобразования электроэнергии, поэтому они могут работать только с переменным током (AC). 

Линейный и импульсный источник питания переменного/постоянного тока

Линейный источник питания переменного/постоянного тока имеет простую конструкцию.

С помощью трансформатора входное напряжение переменного тока (AC) уменьшается до значения, более подходящего для предполагаемого применения. Затем уменьшенное напряжение переменного тока выпрямляется и преобразуется в напряжение постоянного тока (DC), которое фильтруется для дальнейшего улучшения качества формы сигнала (рисунок 2).

Рисунок 2: Структурная схема линейного источника питания переменного/постоянного тока

Традиционная конструкция линейного источника питания переменного/постоянного тока развивалась на протяжении многих лет, улучшаясь с точки зрения эффективности, диапазона мощности и размера, но эта конструкция имеет некоторые существенные недостатки, которые ограничивают ее интеграцию.

Огромным ограничением линейного источника питания переменного/постоянного тока является размер трансформатора. Поскольку входное напряжение преобразуется на входе, необходимый трансформатор должен быть очень большим и, следовательно, очень тяжелым.

На низких частотах (например, 50 Гц) для передачи большого количества мощности с первичной на вторичную катушку необходимы большие значения индуктивности. Это требует больших сердечников трансформатора, что делает миниатюризацию этих источников питания практически невозможной.

Еще одним ограничением линейных источников питания переменного/постоянного тока является регулировка напряжения высокой мощности.

Линейный источник питания переменного/постоянного тока использует линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают любую дополнительную энергию в виде тепла. Для малой мощности это не представляет большой проблемы. Однако при высокой мощности количество тепла, которое регулятору придется рассеивать для поддержания постоянного выходного напряжения, очень велико, и это потребует установки очень больших радиаторов.

Импульсный источник питания переменного/постоянного тока

Разработана новая методология проектирования для решения многих проблем, связанных с линейным или традиционным проектированием источников питания переменного/постоянного тока, включая размер трансформатора и регулирование напряжения.

Импульсные источники питания теперь возможны благодаря развитию полупроводниковой технологии, особенно благодаря созданию мощных МОП-транзисторов, которые могут включаться и выключаться очень быстро и эффективно, даже при наличии больших напряжений и токов.

Импульсный источник питания переменного/постоянного тока позволяет создавать более эффективные преобразователи мощности, которые больше не рассеивают избыточную мощность.

Источники питания переменного/постоянного тока, разработанные с использованием импульсных преобразователей мощности, называются импульсными источниками питания. Импульсные источники питания переменного/постоянного тока имеют немного более сложный метод преобразования переменного тока в постоянный.

В импульсных источниках питания переменного тока входное напряжение больше не уменьшается; вместо этого оно выпрямляется и фильтруется на входе. Затем постоянное напряжение проходит через прерыватель, который преобразует напряжение в высокочастотную последовательность импульсов. Наконец, волна проходит через другой выпрямитель и фильтр, который преобразует ее обратно в постоянный ток (DC) и устраняет любую оставшуюся составляющую переменного тока (AC), которая может присутствовать до достижения выхода (см. Рисунок 3).

При работе на высоких частотах индуктор трансформатора способен передавать больше мощности, не достигая насыщения, что означает, что сердечник может становиться все меньше и меньше. Поэтому трансформатор, используемый при переключении источников питания переменного/постоянного тока для уменьшения амплитуды напряжения до предполагаемого значения, может быть лишь частью размера трансформатора, необходимого для линейного источника питания переменного/постоянного тока.

Рисунок 3: Блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Как и следовало ожидать, этот новый метод проектирования имеет некоторые недостатки.

 Импульсные преобразователи переменного/постоянного тока могут генерировать в системе значительное количество шума, который необходимо обрабатывать, чтобы гарантировать его отсутствие на выходе. Это создает необходимость в более сложной схеме управления, что, в свою очередь, усложняет конструкцию. Тем не менее, эти фильтры состоят из компонентов, которые можно легко интегрировать, поэтому это не оказывает существенного влияния на размер источника питания.

Меньшие трансформаторы и повышенная эффективность регулятора напряжения при коммутации источников переменного/постоянного тока являются причиной того, что теперь мы можем преобразовывать 220 В среднеквадратичного переменного напряжения в 5 В постоянного напряжения с помощью преобразователя мощности, который может поместиться на ладони.

 В таблице 1 обобщены различия между линейными и импульсными источниками питания переменного/постоянного тока. 

Таблица 1: Линейные и импульсные источники питания

Однофазные и трехфазные источники питания

 Источник переменного тока (AC) может быть однофазным или трехфазным:

• Трехфазный источник питания состоит из трех проводников, называемых линиями, каждый из которых несет переменный ток (AC) одинаковой частоты и амплитуды напряжения, но с относительной разностью фаз 120° или одной трети цикла 

(см. Рисунок 4). 

Эти системы наиболее эффективны при доставке большого количества энергии и поэтому используются для доставки электроэнергии от генерирующих установок в дома и предприятия по всему миру.

• Однофазный источник питания является предпочтительным методом подачи тока в отдельные дома или офисы, чтобы равномерно распределить нагрузку между линиями. В этом случае ток течет от линии электропередачи через нагрузку, а затем обратно через нейтральный провод. Это тип источника питания, встречающийся в большинстве установок, за исключением крупных промышленных или коммерческих зданий. Однофазные системы не могут передавать столько энергии на нагрузку и более подвержены сбоям питания, но однофазное питание также позволяет использовать гораздо более простые сети и устройства.  

Рисунок 4: Форма волны переменного тока трехфазного источника питания

Существует две конфигурации для передачи электроэнергии через трехфазный источник питания: конфигурации «дельта» (Δ)(Δ) и «звезда» (Y), также называемые конфигурациями «треугольник» и «звезда» соответственно.

Основное различие между этими двумя конфигурациями заключается в возможности добавления нейтрального провода (см. Рисунок 5).

Соединения «дельта» обеспечивают большую надежность, но соединения «Y» могут обеспечивать два разных напряжения: фазное напряжение, которое является однофазным напряжением, подаваемым в дома, и линейное напряжение для питания больших нагрузок. Соотношение между фазным напряжением (или фазным током) и линейным напряжением (или линейным током) в конфигурации «Y» заключается в том, что амплитуда линейного напряжения (или тока) в √3 раза больше амплитуды фазы.

Поскольку стандартная система распределения электроэнергии должна обеспечивать электропитание как трехфазных, так и однофазных систем, большинство сетей распределения электроэнергии имеют три линии и нейтраль. Таким образом, и дома, и промышленное оборудование могут получать электропитание по одной и той же линии передачи. Таким образом, конфигурация Y чаще всего используется для распределения электроэнергии, тогда как конфигурация треугольника обычно применяется для питания трехфазных нагрузок, таких как крупные электродвигатели.

Рисунок 5: Трехфазные конфигурации Y и Delta

Напряжение, при котором электросеть поставляет однофазную электроэнергию своим пользователям, имеет различные значения в зависимости от географического положения. Вот почему очень важно проверить диапазон входного напряжения источника питания перед его покупкой или использованием, чтобы убедиться, что он предназначен для работы в электросети вашей страны. В противном случае вы можете повредить источник питания или подключенное к нему устройство.

В таблице 2 сравниваются напряжения в сетях в различных регионах мира.

В национальной электросети Японии две частоты из-за истоков ее электрификации в конце 19 века. В западном городе Осака поставщики электроэнергии закупили генераторы на 60 Гц в Соединенных Штатах, а в Токио, который находится на востоке Японии, они закупили немецкие генераторы на 50 Гц. Обе стороны отказались менять частоту, и по сей день в Японии все еще используются две частоты: 50 Гц на востоке, 60 Гц на западе.

Как упоминалось ранее, трехфазное питание используется не только для транспорта, но и для питания больших нагрузок, таких как электродвигатели или зарядка больших аккумуляторов. Это связано с тем, что параллельное применение питания в трехфазных системах может передавать гораздо больше энергии нагрузке и может делать это более равномерно из-за перекрытия трех фаз (см. рисунок 6).

Рисунок 6: Передача электроэнергии в однофазных (слева) и трехфазных (справа) системах

Например, при зарядке электромобиля (EV) количество энергии, которое вы можете передать аккумулятору, определяет, насколько быстро он заряжается.

Однофазные зарядные устройства подключаются к сети переменного тока (AC) и преобразуются в постоянный ток (DC) внутренним преобразователем переменного тока в постоянный ток (также называемым бортовым зарядным устройством). Эти зарядные устройства ограничены по мощности сетью и розеткой переменного тока.

Ограничение варьируется от страны к стране, но обычно составляет менее 7 кВт для розетки 32 А (в ЕС 220 x 32 А = 7 кВт). С другой стороны, трехфазные источники питания преобразуют мощность из переменного тока в постоянный ток внешним способом и могут передавать более 120 кВт в аккумулятор, обеспечивая сверхбыструю зарядку. 

Резюме

Источники питания переменного/постоянного тока есть везде. Основная задача источника питания переменного/постоянного тока — преобразовывать переменный ток (AC) в стабильное напряжение постоянного тока (DC), которое затем может использоваться для питания различных электрических устройств.

Переменный ток используется для передачи электроэнергии по всей электросети, от генераторов до конечных пользователей. Цепь переменного тока (AC) может быть сконфигурирована как однофазная или трехфазная система. Однофазные системы проще и могут обеспечивать достаточно мощности для питания всего дома, но трехфазные системы могут обеспечивать гораздо большую мощность более стабильным способом, поэтому их часто используют для питания промышленных приложений.

Разработка эффективного источника питания переменного/постоянного тока — непростая задача, поскольку современные рынки требуют высокомощных, чрезвычайно эффективных, миниатюрных источников питания, способных поддерживать эффективность в широком диапазоне нагрузок.

Методы проектирования источника питания переменного/постоянного тока со временем изменились. Линейные блоки питания переменного/постоянного тока ограничены по размеру и эффективности, поскольку они работают на низких частотах и регулируют выходную температуру, рассеивая избыточную энергию в виде тепла. Напротив, импульсные блоки питания стали чрезвычайно популярными, поскольку они используют импульсные регуляторы для преобразования переменного тока в постоянный ток. Импульсные блоки питания работают на более высоких частотах и преобразуют электрическую мощность гораздо эффективнее предыдущих конструкций, что позволило создать мощные блоки питания переменного/постоянного тока размером с ладонь.