Источники питания постоянного тока. Основы. Окончание

ТЕОРИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Регулируемый источник постоянного тока по сути является нерегулируемым источником питания с добавлением регулятора напряжения. Это позволяет напряжению оставаться стабильным независимо от величины тока, потребляемого нагрузкой, при условии, что не превышаются заданные пределы.

Рисунок 5: Блок-схема — Регулируемое питание

В регулируемых источниках питания схема непрерывно отбирает часть выходного напряжения и регулирует систему, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом уровне. Во многих случаях включаются дополнительные схемы для обеспечения ограничений тока или напряжения, фильтрации шума и регулировки выходного сигнала.

ЛИНЕЙНЫЙ, ИМПУЛЬСНЫЙ ИЛИ НА БАТАРЕЙНОМ ПИТАНИИ?

Существует три подвида регулируемых источников питания: линейные, коммутируемые и батарейные. Из трех основных конструкций регулируемых источников питания линейный является наименее сложной системой, но коммутируемые и батарейные источники питания имеют свои преимущества.

Линейный источник питания

Линейные источники питания используются, когда точная регулировка и устранение шума являются наиболее важными. Хотя они не являются самыми эффективными источниками питания, они обеспечивают наилучшую производительность. Название происходит от того факта, что они не используют переключатель для регулировки выходного напряжения.

Линейные источники питания доступны уже много лет, их использование широко распространено и надежно. Они также относительно бесшумны и коммерчески доступны. Недостатком линейных источников питания является то, что они требуют более крупных компонентов, поэтому они больше и рассеивают больше тепла, чем импульсные источники питания. По сравнению с импульсными источниками питания и батареями они также менее эффективны, иногда показывая только 50% эффективности.

Импульсный источник питания

Импульсные источники питания (ИМП) сложнее в изготовлении, но имеют большую универсальность в полярности и, если они спроектированы правильно, могут иметь эффективность 80% или более. Хотя они имеют больше компонентов, они меньше и дешевле линейных источников питания.

Рисунок 6: Блок-схема — Регулируемый импульсный источник питания

Одним из преимуществ коммутируемого режима является меньшая потеря через коммутатор. Поскольку SMPS работают на более высоких частотах, они могут излучать шум и мешать работе других цепей. Необходимо принять меры по подавлению помех, такие как экранирование и соблюдение протоколов компоновки.

Преимущества импульсного источника питания в том, что они обычно небольшие и легкие, имеют широкий диапазон входного напряжения и более высокий диапазон выходного напряжения, и намного более эффективны, чем линейный источник питания. Однако SMPS имеет сложную схему, может загрязнять сеть переменного тока, более шумный и работает на высоких частотах, требующих подавления помех.

Питание от батареи

Питание от батареи — это третий тип источника питания, который по сути является мобильным накопителем энергии. Питание от батареи создает незначительный шум, мешающий работе электроники, но теряет емкость и не обеспечивает постоянного напряжения по мере разрядки батарей. В большинстве приложений, использующих лазерные диоды, батареи являются наименее эффективным методом питания оборудования. Большинству батарей сложно подобрать правильное напряжение для нагрузки. Использование батареи, которая может превысить внутреннюю рассеиваемую мощность драйвера или контроллера, может повредить ваше устройство.

ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

• При выборе источника питания необходимо учитывать ряд требований.

• Требования к мощности нагрузки или цепи, включая

 Напряжение

 Ток

• Функции безопасности, такие как ограничения напряжения и тока, для защиты нагрузки.

• Физические размеры и эффективность.

• Помехоустойчивость системы.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ О ПЕРЕГРУЗКЕ ПО ТОКУ

Наряду с вышеизложенными соображениями, блок питания должен работать ниже своего максимального номинального выходного тока. Нагрузки, потребляющие больше тока, чем рассчитан адаптер, могут привести к нестабильным результатам или неисправности устройства. Перегрузка преобразователя может привести к перегреву и, в конечном итоге, к отказу, что может привести к опасности возгорания или повреждению самой нагрузки.

ВАЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Хотя все характеристики источника питания ценны, некоторые из них более критичны, чем другие. Вот несколько характеристик, на которые следует обратить внимание:

Выходной ток: максимальный ток, который может быть подан на нагрузку.

Регулировка нагрузки: Регулировка нагрузки показывает, насколько хорошо регулятор может поддерживать свой выход 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 измерение дается в пике-пик, показывая степень шумовых пиков, возникающих при переключении.

Защита от перенапряжения: Иногда выходные напряжения могут превышать номинальные значения и могут повредить нагрузку. Защита от перенапряжения — это схема, которая отключает источник питания в случае превышения пределов 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 электропитание, чтобы нагрузка не была повреждена.

Эффективность : Эффективность — это отношение мощности, получаемой из электросети, к эффективному преобразованию в мощность постоянного тока. Хороший источник питания SMPS будет работать с эффективностью не менее 80% и при правильной конструкции системы может работать даже на более высоких скоростях. Эффективная система снизит тепловыделение и может экономить энергию.

ШУМ И РЯБЬ

Шум и пульсация являются артефактами преобразования переменного тока в постоянный и являются побочным продуктом выпрямления и переключения. Во время преобразования переменная синусоида не может быть полностью подавлена. Эти артефакты обычно объединяются в одну спецификацию, заданную в пиковом напряжении, показывающую степень шумовых выбросов, возникающих при переключении, которые могут негативно влиять на чувствительное оборудование.

Небольшие колебания напряжения называются пульсацией. Во многих случаях величина колебаний зависит от того, насколько хорошо блок питания согласован с нагрузкой.

Шум — это нежелательные дополнения, которые возникают за пределами обычной пульсации. Он возникает из многих других источников, включая коммутационный и электронный шум, генерируемый за пределами источника питания, например, от близлежащей электроники. Шум обычно возникает вместе с пульсацией и гораздо более изменчив и непредсказуем. Коммутационный шум обычно возникает на очень высоких частотах.

На рисунке 7 представлен пример шума (создаваемого переключением) и пульсаций в источнике питания среднего качества.

Рисунок 7: Пульсация и шум для регулируемого, переключаемого источника питания, представляющего собой источник питания среднего качества

Рисунок 8 иллюстрирует потенциал шума в регулируемом линейном источнике питания. Хотя он намного меньше пульсации регулируемого импульсного источника питания, он все еще может быть достаточно значительным, чтобы скрыть данные. Если шум и пульсация очень высоки, небольшие сигналы могут быть подавлены или срок службы оборудования может быть значительно сокращен. Однако с высококачественным источником питания его можно практически устранить.

Рисунок 8: Пульсация и шум для регулируемой линейной мощности, характерной для источника питания среднего качества

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

• Какой ток нужен моему блоку питания?

Хорошее практическое правило — объединить величину тока привода, необходимого для удовлетворения потребностей нагрузки, и ток, необходимый 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 области (SOA) контроллера, а лазер, термоэлектрический датчик и датчик температуры не связаны электрически через землю.

Для получения дополнительной информации о SOA см. Application Note AN-LDTC01: The Principle of the Safe Operating Area.

Для получения дополнительной информации о заземлении см. Application Note AN-LD16: Grounding with Special Laser Diode Configurations.

• Могу ли я использовать один и тот же блок питания для управления несколькими регуляторами температуры одновременно?

Да, но они должны быть подключены с использованием звездообразных (индивидуальных) соединений, а не последовательных (связанных) соединений, чтобы гарантировать, что напряжение на каждом блоке одинаковое.

• Могу ли я использовать блок питания 30 В с контроллером температуры, характеристики которого рассчитаны на 5 В – 30 В?

Да, если напряжение нагрузки достаточно высокое. Используйте калькулятор безопасной рабочей области (SOA) для контроллера, чтобы определить, совместимы ли нагрузка и напряжение источника питания.

• Могу ли я использовать источник питания 4,5 В?

Ознакомьтесь с минимальными требованиями к контроллеру в разделе «Абсолютные максимумы» паспорта. Если это разрешено, вычтите падение напряжения соответствия на контроллере из 4,5 В, чтобы увидеть, будет ли достаточно напряжения для нагрузки.

• Какой длины должны быть мои кабели?

Более длинные кабели создают больше шума и допускают большее падение напряжения между источником питания и нагрузкой. Чтобы минимизировать влияние шума, скручивайте кабели вместе или используйте экранированные кабели. Чтобы минимизировать падение напряжения, делайте их как можно короче.

• Какой калибр провода* мне следует использовать?

Калибр определяет допустимую нагрузку по току и должен превышать спецификацию нагрузки. Например, используя Таблицу 2, в которой показаны некоторые стандартные калибры и допустимые нагрузки для сплошного провода, для нагрузки 2 А потребуется провод калибра 20, а не 22. Это связано с тем, что провод калибра 20 допускает ток 3,2 А, что превышает требование 2 А.

КАЛИБР AWG	ДИАМЕТР (дюймы)	ДОПУСТИМЫЙ ТОК (А)	СОПРОТИВЛЕНИЕ на 1000 фут2 (Ом)
8	0,128	50	0,628
10	0,102	30	0,999
12	0,081	25	1,588
14	0,064	20	2,525
16	0,051	10	4,016
18	0,040	5	6,385
20	0,032	3,2	10,15
22	0,025	2,0	16,14
24	0,020	1,25	25,67

* Калибр провода - это система обозначения толщины провода, часто используемая для определения его электрической проводимости и механической прочности. В основном используется американская система калибров AWG (American Wire Gauge). Меньший номер калибра AWG соответствует большему диаметру и, следовательно, большей пропускной способности по току.

Магазин Gtest® - официальный поставщик источников (блоков) питания постоянного тока в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/bloky-pitaniya

Сопутствующие Товары