Джерела живлення DC. Де і як застосовуються. Частина 2

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою джерел живлення постійного струму, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

ВСТУП

Харчування - це основа будь-якої електронної системи, а джерело живлення - те, що живить систему. Вибір правильного джерела живлення може мати вирішальне значення між оптимальною продуктивністю та нестабільними результатами.

Крім джерел живлення змінного струму (AC) у постійний струм (DC), також доступні перетворювачі постійного струму на постійний. У цих вказівках по застосуванню розглядаються лише джерела живлення змінного струму в постійний, проте, якщо у вашій системі вже є постійний струм, перетворювач постійного струму в постійний може бути найкращим вибором.

Джерела живлення постійного струму бувають нерегульовані та регульовані. Регульовані джерела живлення випускаються у кількох варіантах, включаючи лінійні, імпульсні та акумуляторні.

У цій статті наведено таку інформацію:

Типи блоків живлення

Важливі характеристики, які слід враховувати

Поширені запитання

ОСНОВИ ПЕРЕТВОРЕННЯ AC-DC

Джерело живлення бере змінний струм з розетки, перетворює його в нерегульований постійний струм і знижує напругу за допомогою вхідного силового трансформатора, зазвичай знижуючи його до напруги, необхідного навантаженням. З міркувань безпеки трансформатор також відокремлює вихідне джерело живлення від вхідної мережі.

Малюнок 1, Малюнок 2 та Малюнок 3 ілюструють загальний перехід від змінного струму до постійного.

Тлумачення змінного та постійного струму

Змінний струм генерується електронами, що рухаються у змінних напрямках. Постійний струм генерується електронами, що рухаються лише в одному напрямку.

Змінний струм також називають мережевою електрикою, побутовим струмом, побутовою електроенергією, лінійною потужністю або настінною потужністю, оскільки це напруга, що подається через настінну розетку. У всьому світі напруга змінного струму варіюється від 100 до 240 В. Швидкість зміни напрямку зазвичай становить від 50 до 60 разів на секунду і позначається в герцах (Гц). Дві найпоширеніші частоти: 50 Гц та 60 Гц.

Обладнання, призначене для використання змінного струму, зазвичай вимагає великої напруги, тому напруга знижується не так часто, як обладнання, що використовує постійний струм.

Постійний струм забезпечує постійну подачу струму до пристрою. Оскільки спочатку подається змінний струм, спочатку необхідно перетворити потужність змінного струму в постійний.

Більшості невеликих електронних пристроїв (таких як ноутбуки та побутові гаджети) для роботи потрібен постійний струм із перетворювачем змінного струму на постійний від мережі. Змінний струм використовується в обладнанні з двигунами (наприклад, холодильниках). Який тип струму використовувати, залежить від навантаження, що живиться.

ХОЧЕ І AC, І DC МОЖУТЬ ВАС УДАРИТИ AC Є ВЕЛИКИМ РИЗИКОМ, ТОМУ ЩО ПОТОЧНА ПОТУЖНІСТЬ НАМНОГО БІЛЬШЕ. ПЕРЕКОНАЙТЕСЯ, ЩО ВСЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ УСТАТКУВАННЯ, ПІДКЛЮЧЕНЕ ДО МЕРЕЖІ ЗМІННОГО СТРУМУ, МАЄ АВТОМАТИЧНИЙ ВИМИКАНЬ АБО ЗАПЕРЕЖНИЦЬ ЛАНЦЮГИ ЗАМОВЛЕННЯ, (G)

Змінний струм набуває форми синусоїдальної хвилі, при цьому напруга з часом змінюється від позитивного до негативного.

Малюнок 1. Змінний струм від настінної розетки

У першому етапі процесу напруга випрямляється з допомогою набору діодів. Випрямлення перетворює синусоїдальний змінний струм. Випрямляч перетворює синусоїдальні хвилі на серію позитивних піків.

Малюнок 2. Повнохвильове випрямлення

Після випрямлення напруги у формі сигналу все ще залишаються коливання (час між піками), які потрібно усунути. Випрямлена змінна напруга потім фільтрується або згладжується конденсатором.

 Конденсатор має досить великий розмір і створює резервуар енергії, яка подається на навантаження при падінні випрямленої напруги. Енергія, що надходить, зберігається в конденсаторі по наростаючому фронту і витрачається при падінні напруги. Це значно зменшує величину падіння напруги та згладжує напругу. Збільшення ємності конденсатора зазвичай забезпечує якісніше джерело живлення.

 На малюнку 3 показано випрямлену напругу та принцип роботи конденсатора зі згладжування провисання.

Малюнок 3. Повнохвильове випрямлення + конденсатор.

Після завершення перетворення напруги на виході досі залишаються деякі зміни, які називаються пульсаціями. У регульованому джерелі живлення напруга проходить через стабілізатор для створення фіксованого вихідного постійного струму з меншими пульсаціями.

ПОРІВНЯННЯ БЛОКІВ ЖИВЛЕННЯ

Джерела живлення постійного струму бувають двох видів: нерегульовані та регульовані. Нестабілізоване джерело живлення є найпростішим типом джерела живлення та не здатне подавати на навантаження постійну напругу, на відміну від регульованих джерел живлення. Регульовані джерела живлення випускаються у кількох варіантах, включаючи лінійні, імпульсні та акумуляторні.

Лінійні перетворювачі є найменш складними, але при цьому виділяють найбільше тепла, тоді як перетворювачі більш складні і холодні, але створюють більше шуму. Батареї зазвичай являють собою перемикачі перетворювачі. У кожного з них є свої переваги та недоліки, але те, який з них використовуватиме, залежатиме в основному від типу програми та умов, у яких вона запускатиметься.

У таблиці 1 показано, як класифікуються типи джерел живлення, і підсумовано багато плюсів і мінусів кожного типу.

Таблиця 1. Типи джерел живлення

ТЕОРІЯ НЕРЕГУЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛОВ ЖИВЛЕННЯ

Оскільки нестабілізовані джерела живлення не мають вбудованих регуляторів напруги, вони зазвичай призначені для вироблення певної напруги за певного максимального вихідного струму навантаження. Зазвичай це настінні зарядні пристрої, які перетворюють змінний струм на невеликий струмок постійного струму і часто використовуються для живлення таких пристроїв, як побутова електроніка. Це найпоширеніші адаптери живлення, їх прозвали настінною бородавкою.

Вихідна напруга постійного струму залежить від внутрішнього понижуючого трансформатора напруги і повинна бути максимально точно узгоджена зі струмом, необхідним навантаженням. Зазвичай вихідна напруга зменшується зі збільшенням вихідного струму навантаження.

При використанні джерела живлення постійного струму, що не регулюється, вихідна напруга залежить від розміру навантаження. Зазвичай він складається з випрямляча і конденсатора, що згладжує, але не має регулювання для стабілізації напруги. Він може мати схеми безпеки і найкраще підходить для додатків, що не потребують точності.

Рисунок 4. Блок діаграма-Нерегульовані лінійні джерела живлення

Переваги нерегульованих джерел живлення в тому, що вони є довговічними і можуть бути недорогими. Однак їх краще використовувати, коли точність не є обов'язковою вимогою. Вони мають залишкову пульсацію, аналогічну до тієї, що показана на малюнку 3.

ПРИМІТКА. Компанія Wavelength не рекомендує використовувати нестабілізовані джерела живлення з будь-якими продуктами.

ТЕОРІЯ РЕГУЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛОВ ЖИВЛЕННЯ

Регульоване джерело живлення постійного струму по суті є нерегульованим джерелом живлення з додаванням стабілізатора напруги. Це дозволяє напрузі залишатися стабільним незалежно від величини струму, що споживається навантаженням, за умови, що задані межі не перевищуються.

Рисунок 5. Блок-схема - регульованого джерела живлення

У регульованих джерелах живлення схема постійно вимірює частину вихідної напруги та налаштовує систему, щоб підтримувати вихідну напругу на необхідному значенні. У багатьох випадках до комплекту входять додаткові схеми для обмеження струму або напруги, фільтрації шуму та регулювання вихідного сигналу.

ЛІНІЙНИЙ, ІМПУЛЬСНИЙ АБО АКУМУЛЯТОРНИЙ?

Існує три підгрупи регульованих джерел живлення: лінійні, імпульсні та акумуляторні. З трьох основних схем регульованого електроживлення лінійна є найменш складною системою, проте імпульсне та акумуляторне живлення мають свої переваги.

ЛІНІЙНИЙ ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ Лінійні джерела живлення використовуються, коли найбільш важливими є точне регулювання та усунення шуму. Хоча вони є найефективнішим джерелом живлення, вони забезпечують найкращу продуктивність. Назва походить від того факту, що вони не використовують перемикач регулювання вихідної напруги.

Лінійні джерела живлення доступні вже багато років, та їх використання широко поширене та надійне. Вони також відносно безшумні та комерційно доступні. Недолік лінійних джерел живлення полягає в тому, що вони вимагають великих компонентів, тому вони більші і розсіюють більше тепла, ніж імпульсні джерела живлення. У порівнянні з імпульсними джерелами живлення та батареями вони також менш ефективні, іноді демонструючи ККД лише 50%.

КОМУТАТИВНИЙ ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ Імпульсні джерела живлення (SMPS) складніше сконструювати, але вони мають більшу універсальність у полярності і при правильній конструкції можуть мати ККД 80% і більше. Хоча в них більше компонентів, вони менші і дешевші, ніж лінійні джерела живлення.

Малюнок 6. Блок-схема - регульоване імпульсне джерело живлення

Однією з переваг комутованого режиму є менші втрати на перемикачі. Оскільки SMPS працюють на більш високих частотах, вони можуть випромінювати шум та створювати перешкоди іншим ланцюгам. Необхідно вжити заходів щодо придушення перешкод, такі як екранування та дотримання протоколів компонування.

Переваги імпульсного джерела живлення полягають у тому, що він зазвичай невеликий і легкий, має широкий діапазон вхідної напруги і вищий вихідний діапазон і набагато ефективніший, ніж лінійне джерело живлення. Однак імпульсне джерело живлення має складну схему, може забруднювати мережу змінного струму, більш шумне і працює на високих частотах, що вимагає придушення перешкод.

НА БАТАРЕЇ Живлення від акумуляторної батареї є третім типом джерела живлення і, по суті, є мобільним акумулятором енергії. Вони роблять незначний шум, заважаючи роботі електроніки, але втрачають ємність і не забезпечують постійної напруги в міру розрядки. Більшості акумуляторів складно підібрати правильну напругу відповідно до навантаження. Використання батареї, потужність якої може перевищувати внутрішню розсіювану потужність драйвера або контролера, може призвести до пошкодження пристрою.

ВИБІР ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ

При виборі джерела живлення необхідно враховувати кілька вимог.

Вимоги до живлення навантаження або ланцюга, включаючи напругу та струм.

Функції безпеки для захисту навантаження, такі як обмеження напруги та струму, регулювання навантаження, захист від перенапруги та перевантаження.

Фізичний розмір та ефективність.

Перешкодостійкість системи.

ВАЖЛИВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Хоча всі характеристики джерела живлення важливі, деякі важливіші, ніж інші. Декілька технічних характеристик:

Вихідний струм: максимальний струм, який може бути поданий на навантаження.

Регулювання навантаження. Регулювання навантаження це те, наскільки добре регулятор може підтримувати свою вихідну потужність при зміні струму навантаження, і зазвичай вимірюється в мілівольтах (мВ) або як максимальна вихідна напруга.

Шум та пульсація. Шум – це будь-які додаткові та небажані електронні перешкоди, а пульсація – це невелика зміна напруги при перетворенні змінного струму на постійний. Зазвичай вони поєднуються в один вимір. В імпульсних джерелах живлення виміри даються в розмаху, показуючи ступінь сплесків шуму, що виникають під час перемикання.

Захист від перенапруги. Іноді вихідна напруга може перевищувати номінальні значення та може пошкодити навантаження. Захист від перенапруги є схемою, яка відключає джерело живлення у разі перевищення граничних значень напруги.

Захист від навантаження. Захист від перевантаження — це запобіжний засіб, який використовується для запобігання пошкодженню у разі короткого замикання або перевантаження по струму. Подібно до автоматичного вимикача в будинку, захист від перевантаження відключає подачу електроенергії, щоб навантаження не було пошкоджено.

Ефективність. Ефективність - це співвідношення потужності, що отримується з електромережі, яка ефективно перетворюється на потужність постійного струму. Хороше джерело живлення SMPS працюватиме з ККД не менше 80% і за правильної конструкції системи може працювати навіть із вищими показниками. Ефективна система зменшить виділення тепла та може заощадити енергію

Попередження про поточне навантаження. Поряд із вищевказаними міркуваннями, джерело живлення має працювати зі струмом нижче максимального номінального вихідного струму. Навантаження, які споживають більший струм, ніж адаптер, можуть призвести до нестабільних результатів або пошкодження пристрою.

Перевантаження перетворювача може призвести до перегріву і, зрештою, до виходу з ладу, що може призвести до займання або пошкодження навантаження.

ШУМ І ПУЛЬСИВНІСТЬ

Шум та пульсації є артефактами перетворення змінного струму на постійний і, серед іншого, є побічними продуктами випрямлення та перемикання. Це важливі характеристики, на які слід звернути увагу, оскільки вони можуть вплинути на чутливі прилади. Якщо шум і пульсації дуже високі, малі сигнали можуть бути придушені або термін служби обладнання може скоротитися. Проте шум і пульсації можна практично усунути за допомогою високоякісного джерела живлення.

Під час перетворення змінного струму на постійну змінну синусоїдальну хвилю неможливо повністю придушити. Невеликі коливання напруги від піку до піку, що виникають в результаті, називаються пульсаціями. У багатьох випадках величина коливань залежить від того, наскільки добре джерело живлення узгоджено з навантаженням.

Шум - це небажані добавки, що виникають за межами звичайної пульсації. Він виходить із багатьох інших джерел, включаючи комутаційні та електронні перешкоди, що генеруються за межами джерела живлення, наприклад, від розташованого поблизу обладнання. Шум зазвичай виникає у поєднанні з пульсацією і є набагато мінливішим і непередбачуваним. Шум перемикання зазвичай виникає дуже високих частотах.

На рис. 7 наведено приклад шуму (створюваного при перемиканні) та пульсацій у джерелі живлення середньої якості.

Малюнок 7. Пульсації і шум для регульованого джерела живлення, що перемикається, типове джерело живлення середньої якості.

На малюнку 8 показаний потенціал шуму в регульованому лінійному джерелі живлення. Хоча пульсації набагато менше, ніж пульсації регульованого імпульсного джерела живлення, вони все ж таки можуть бути досить значними, щоб замаскувати дані.

Малюнок 8. Пульсації та шум для регульованої лінійної потужності, типовий представник джерела живлення середньої якості

ПОШИРЕНІ ЗАПИТАННЯ

Який струм необхідний моєму блоку живлення? Хороше емпіричне правило - об'єднати величину струму збудження, необхідного для задоволення потреб навантаження, і струму, необхідного для живлення контролерів, а потім додати 10% як буфер.

Чи можу я використовувати те саме джерело живлення для управління температурним і лазерним контролерами? Так, якщо вибрана напруга відповідає потребам навантаження та знаходиться в межах безпечної робочої зони (SOA) контролера. Переконайтеся, що лазер, термоелектричний датчик та датчик температури не заземлені.

Додаткову інформацію про SOA див. у розділі «Примітки щодо застосування».

AN-LDTC01: Принцип безпечної робочої зони.

Для отримання додаткових відомостей про заземлення див. Примітки щодо застосування AN-LD16: Заземлення за допомогою спеціальних конфігурацій лазерних діодів.

Чи можу я використовувати те саме джерело живлення для одночасного керування кількома терморегуляторами? Так, але їх слід з'єднувати зіркою (індивідуально), а не послідовними (пов'язаними) з'єднаннями, щоб уникнути проблем з урвищем лінії та забезпечити однакову напругу на кожному пристрої.

Для отримання додаткових відомостей див. розділ FAQ1171: Як підключити кілька драйверів або контролерів до одного джерела живлення?

Чи можу я використати джерело живлення 30 В з регулятором температури, технічні характеристики якого розраховані на напругу 5–30 В? Так, якщо напруга навантаження досить висока. Використовуйте калькулятор безпечної робочої зони (SOA) для контролера, щоб визначити, чи сумісні навантаження та напруга джерела живлення.

Чи можу я використовувати джерело живлення 4,5? Ознайомтеся з мінімальними технічними характеристиками контролера у розділі «Абсолютні максимуми» таблиці даних. Якщо дозволено, відніміть падіння напруги на контролері з 4,5 В, щоб перевірити, чи вистачить напруги на навантаженні.

Якої довжини мають бути мої кабелі? Довші кабелі створюють більше шуму і допускають більше падіння напруги між джерелом живлення та навантаженням. Щоб мінімізувати вплив шуму, скрутіть кабелі разом або використовуйте екрановані кабелі. Щоб мінімізувати падіння напруги, робіть їх якнайкоротше.

Який переріз провід мені слід використати? Манометр визначає допустиме навантаження струмом і має перевищувати специфікацію навантаження. Наприклад, використовуючи таблицю 2, в якій показані деякі стандартні перерізи та допустимі навантаження, для навантаження 2 А потрібно провід 20 калібру, а не 22 калібру. Це з тим, що провід 20 калібру пропускає струм 3,2 А. що перевищує вимога 2 А.

Таблиця 2. Американський калібр дроту (AWG) для суцільного дроту

ТРІШКИ ІСТОРІЇ

На момент появи електророзподілу стандартним струмом у Європі був змінний струм (AC), а США — постійний струм (DC). Головним електричним навантаженням була лампочка, розроблена Томасом А. Едісоном для використання постійного струму. Перша конкуренція між системами розподілу електроенергії, які домінуватимуть на ринку США, називалася «Війна струмів» і зазвичай уособлювалася як конфлікт між винахідником Едісоном (Con Edison/General Electric) та підприємцем Джорджем Вестингаузом (Westinghouse Electric), який інвестував у Технологію змін метод розподілу електроенергії. Конфлікт насправді був набагато масштабнішим: американські та європейські компанії були особисто зацікавлені у занепаді того чи іншого типу.

Недоліком змінного струму на той час було те, що навантаження на систему впливало при включенні та вимкненні приладів, що впливало на інших, що використовують лінію. Перевага постійного струму полягала в тому, що він використовував тільки необхідний струм і не впливав на інше навантаження на лінії.

На жаль для прихильників постійного струму, падіння напруги на проводах від джерела до виходу було значним, і різні напруження не могли передаватися по одних і тих же проводах. Це означало, що для виробництва постійного струму потрібно було, щоб електростанції були розташовані в межах кількох миль від пункту призначення і прокладено кілька дротів для кожної необхідної напруги, і те й інше було дуже дорого для сільських спільнот. Ще одним недоліком було те, що постійний струм справді був можливий лише для невеликих приладів, оскільки низька напруга була надто неефективною, щоб її можна було масштабувати для технологій, що потребують великої напруги.

Навпаки, високу напругу змінного струму можна було передавати по одній лінії на великі відстані, на сотні миль, і, отже, потрібно менше електростанцій. Передача змінного струму призвела до дуже невеликого падіння напруги, і потім напругу можна було знизити трансформаторів до бажаної величини, необхідної в пункті призначення. Крім того, зі зростанням індустріалізації висока напруга стала бажаною для великих навантажень, таких як залізниці та промислові двигуни.

Конкуренція між прихильниками змінного та постійного струму тривала доти, доки серія заходів, присудження контрактів та польові випробування не довели, що лінії електропередачі змінного струму були найбільш економічними, хоча лінії постійного струму продовжували використовуватися аж до 20 століття. Оскільки більшість приладів, розроблених Едісоном, були пристроями постійного струму, потреба постійного струму була гострою. Оскільки змінний струм можна знизити до будь-якої напруги постійного струму, системи постійного струму все ще використовуються.

Магазин Gtest® - офіційний постачальник джерел (блоків) живлення постійного струму в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/bloky-pitaniya