У чому суть джерел живлення змінного та постійного струмів? Де і як вони використовуються?

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

Розуміння джерел живлення змінного/постійного струму

Що таке блок живлення?

Блок живлення - це електричний пристрій, що перетворює електричний струм, що надходить від джерела живлення, наприклад, електромережі, значення напруги і струму, необхідні для живлення навантаження, наприклад, двигуна або електронного пристрою.

Мета блоку живлення – забезпечити живлення навантаження належною напругою та струмом. Струм повинен подаватися контрольованим чином – і з точною напругою – на широкий діапазон навантажень, іноді одночасно, не дозволяючи змінам вхідної напруги або інших підключених пристроїв впливати на вихід.

Блок живлення може бути зовнішнім, що часто зустрічається в таких пристроях, як ноутбуки і зарядні пристрої для телефонів, або внутрішнім, наприклад, у великих пристроях, таких як настільні комп'ютери.

Блок живлення може бути як регульованим, так і нерегульованим. У регульованому блоці живлення зміни вхідної напруги не впливають на вихід. З іншого боку, у нерегульованому блоці живлення вихід залежить від змін на вході.

Єдине, що поєднує всі джерела живлення, це те, що вони беруть електроенергію з джерела на вході, перетворять її якимось чином і передають її навантаженню на виході.

Потужність на вході та виході може бути як змінного струму (AC), так і постійного струму (DC):

• Постійний струм (DC) виникає, коли струм протікає в одному постійному напрямку. Зазвичай він надходить від батарей, сонячних батарей або перетворювачів змінного струму на постійний. Постійний струм є найкращим типом живлення для електронних пристроїв.

• Змінний струм (AC) виникає, коли електричний струм періодично змінює свій напрямок. Змінний струм - це метод, що використовується для доставки електроенергії лініями електропередачі в будинки і на підприємства

Отже, якщо змінний струм - це тип живлення, що подається у ваш будинок, а постійний струм - це тип живлення, який вам потрібен для заряджання телефону, вам знадобиться джерело живлення змінного струму, що перетворює сигнал на постійний струм, іншими словами, щоб перетворити змінну напругу, що надходить з електромережі, у постійну напругу, необхідну для заряджання акумулятора вашого мобільного телефону.

Розуміння змінного струму (AC)

Першим кроком у проектуванні будь-якого джерела живлення є визначення вхідного струму. І здебільшого джерелом вхідної напруги електромережі є змінний струм.

Типова форма хвилі змінного струму – синусоїда (див. рисунок 1).`

Малюнок 1: Форма хвилі змінного струму та основні параметри

Працюючи з джерелом змінного струму необхідно враховувати кілька показників:

• Пікова напруга/струм: максимальне значення амплітуди, яке може досягти хвиля

• Частота: кількість циклів, які хвиля здійснює за секунду. Час, необхідне завершення одного циклу, називається періодом.

• Середня напруга/струм: середнє значення всіх точок, які напруга приймає протягом одного циклу. У чисто змінної хвилі без накладеної постійної напруги це значення дорівнюватиме нулю, оскільки позитивні і негативні половини компенсують один одного.

• Середньоквадратична напруга/струм: вона визначається як квадратний корінь із середнього значення за один цикл квадрата миттєвої напруги. У чистій синусоїдальній хвилі змінного струму його значення можна розрахувати за допомогою рівняння (1): VPEAK√2VPEAK2

• Його також можна визначити як еквівалентну потужність постійного струму, необхідну для отримання того самого ефекту нагрівання. Незважаючи на його складне визначення, він широко використовується в електротехніці, оскільки дозволяє знаходити ефективне значення змінної напруги або струму. Через це його іноді виражають як VAC.

• Фаза: кутова різниця між двома хвилями. Повний цикл синусоїдальної хвилі ділиться на 360 °, починаючи з 0 °, маючи піки при 90 ° (позитивний пік) і 270 ° (негативний пік) і перетинаючи початкову точку двічі, при 180 ° і 360 °. Якщо дві хвилі нанесені разом, і одна хвиля досягає свого позитивного піку в той же час, коли інша досягає свого негативного піку, то перша хвиля буде на 90 °, а друга - на 270 °; це означає, що різницю фаз становить 180°. Ці хвилі вважаються такими, що знаходяться в протифазі, тому що їх значення завжди будуть мати протилежні знаки. Якщо різниця фаз становить 0°, ми говоримо, що дві хвилі перебувають у фазі.

Змінний струм (AC) - це спосіб передачі електроенергії від установок, що генерують, до кінцевих споживачів. Він використовується для транспортування електроенергії, оскільки в процесі транспортування електрику необхідно перетворювати кілька разів.

Електрогенератори виробляють напругу близько 40 000 або 40 кВ. Потім ця напруга підвищується до 150–800 кВ, щоб знизити втрати потужності під час передачі електричного струму великі відстані. Після того, як струм досягає призначення, напруга знижується до 4-35 кВ. Нарешті, перед тим, як струм досягає окремих користувачів, він знижується до 120 або 240 В, залежно від розташування.

Всі ці зміни напруги були б складними, або дуже неефективними для постійного струму (DC), оскільки лінійні трансформатори залежать від коливань напруги для передачі та перетворення електроенергії, тому вони можуть працювати тільки зі змінним струмом (AC).

Лінійне та імпульсне джерело живлення змінного/постійного струму

Лінійне джерело живлення змінного/постійного струму має просту конструкцію.

За допомогою трансформатора вхідна напруга змінного струму (AC) зменшується до значення, що більш підходить для передбачуваного застосування. Потім зменшена напруга змінного струму випрямляється і перетворюється на напругу постійного струму (DC), яка фільтрується для подальшого покращення якості форми сигналу (рисунок 2).

Малюнок 2: Структурна схема лінійного джерела живлення змінного/постійного струму

Традиційна конструкція лінійного джерела живлення змінного/постійного струму розвивалася протягом багатьох років, покращуючись з точки зору ефективності, діапазону потужності та розміру, але ця конструкція має деякі суттєві недоліки, що обмежують її інтеграцію.

Величезним обмеженням лінійного джерела живлення змінного/постійного струму є розмір трансформатора. Оскільки вхідна напруга перетворюється на вході, необхідний трансформатор має бути дуже великим і, отже, дуже важким.

На низьких частотах (наприклад, 50 Гц) передачі великої кількості потужності з первинної на вторинну котушку необхідні великі значення індуктивності. Це вимагає великих осердя трансформатора, що робить мініатюризацію цих джерел живлення практично неможливою.

Ще одним обмеженням лінійних джерел живлення змінного/постійного струму є регулювання напруги високої потужності.

Лінійне джерело живлення змінного/постійного струму використовує лінійні регулятори для підтримки постійної напруги на виході. Ці лінійні регулятори розсіюють додаткову енергію у вигляді тепла. Для малої потужності це не є великою проблемою. Однак при високій потужності кількість тепла, яке регулятору доведеться розсіювати для підтримки постійної вихідної напруги, дуже велика, і це вимагатиме встановлення дуже великих радіаторів.

Імпульсне джерело живлення змінного/постійного струму

Розроблено нову методологію проектування для вирішення багатьох проблем, пов'язаних з лінійним або традиційним проектуванням джерел живлення змінного/постійного струму, включаючи розмір трансформатора та регулювання напруги.

Імпульсні джерела живлення тепер можливі завдяки розвитку напівпровідникової технології, особливо завдяки створенню потужних МОП-транзисторів, які можуть включатися та вимикатися дуже швидко та ефективно, навіть за наявності великої напруги та струмів.

Імпульсне джерело живлення змінного/постійного струму дозволяє створювати ефективніші перетворювачі потужності, які більше не розсіюють надмірну потужність.

Джерела живлення змінного/постійного струму, розроблені з використанням імпульсних перетворювачів потужності, називаються імпульсними джерелами живлення. Імпульсні джерела живлення змінного/постійного струму мають трохи складніший метод перетворення змінного струму на постійний.

В імпульсних джерелах живлення змінного струму вхідна напруга більше не зменшується; натомість воно випрямляється і фільтрується на вході. Потім постійна напруга проходить через переривник, який перетворює напругу високочастотну послідовність імпульсів. Нарешті, хвиля проходить через інший випрямляч і фільтр, який перетворює її назад в постійний струм (DC) і усуває будь-яку складову змінного струму (AC), яка залишилася, яка може бути присутнім до досягнення виходу (див. Рисунок 3).

При роботі на високих частотах індуктор трансформатора здатний передавати більше потужності, не досягаючи насичення, що означає, що сердечник може все менше і менше. Тому трансформатор, що використовується при перемиканні джерел живлення змінного/постійного струму для зменшення амплітуди напруги до передбачуваного значення, може лише частиною розміру трансформатора, необхідного для лінійного джерела живлення змінного/постійного струму.

Малюнок 3: Блок-схема імпульсного джерела живлення змінного/постійного струму

Як і слід очікувати, цей новий метод проектування має деякі недоліки.

Імпульсні перетворювачі змінного/постійного струму можуть генерувати в системі значну кількість шуму, який необхідно обробляти, щоб гарантувати відсутність на виході. Це створює потребу у складнішою схемою управління, що, своєю чергою, ускладнює конструкцію. Тим не менш, ці фільтри складаються з компонентів, які можна легко інтегрувати, тому це не суттєво впливає на розмір джерела живлення.

Менші трансформатори та підвищена ефективність регулятора напруги при комутації джерел змінного/постійного струму є причиною того, що тепер ми можемо перетворювати 220 В середньоквадратичної змінної напруги 5 В постійної напруги за допомогою перетворювача потужності, який може поміститися на долоні.

У таблиці 1 узагальнено різницю між лінійними та імпульсними джерелами живлення змінного/постійного струму.

Таблиця 1: Лінійні та імпульсні джерела живлення

Однофазні та трифазні джерела живлення

Джерело змінного струму (AC) може бути однофазним або трифазним:

• Трифазне джерело живлення складається з трьох провідників, званих лініями, кожен з яких несе змінний струм (AC) однакової частоти та амплітуди напруги, але з відносною різницею фаз 120° або однією третиною циклу

(Див. Малюнок 4).

Ці системи найбільш ефективні при доставці великої кількості енергії і тому використовуються для доставки електроенергії від генеруючих установок до будинків і підприємств по всьому світу.

• Однофазне джерело живлення є кращим методом подачі струму в окремі будинки або офіси, щоб рівномірно розподілити навантаження між лініями. У цьому випадку струм тече від лінії електропередач через навантаження, а потім назад через нейтральний провід. Це тип джерела живлення, що у більшості установок, крім великих промислових чи комерційних будинків. Однофазні системи не можуть передавати стільки енергії на навантаження і більш схильні до збоїв живлення, але однофазне живлення також дозволяє використовувати набагато простіші мережі та пристрої.

Малюнок 4: Форма хвилі змінного струму трифазного джерела живлення

Існує дві конфігурації передачі електроенергії через трифазне джерело живлення: конфігурації «дельта» (Δ)(Δ) і «зірка» (Y), також звані конфігураціями «трикутник» і «зірка» відповідно.

Основна відмінність між цими двома конфігураціями полягає у можливості додавання нейтрального дроту (див. рис. 5).

З'єднання «дельта» забезпечують більшу надійність, але з'єднання «Y» можуть забезпечувати дві різні напруги: фазна напруга, яка є однофазною напругою, що подається в будинки, і лінійна напруга для живлення великих навантажень. Співвідношення між фазною напругою (або фазним струмом) і лінійною напругою (або лінійним струмом) у конфігурації «Y» полягає в тому, що амплітуда лінійної напруги (або струму) у √3 рази більше амплітуди фази.

Оскільки стандартна система розподілу електроенергії має забезпечувати електроживлення як трифазних, і однофазних систем, більшість мереж розподілу електроенергії мають три лінії і нейтраль. Таким чином, і вдома, і промислове обладнання можуть отримувати електроживлення по одній лінії передачі. Таким чином, конфігурація Y найчастіше використовується для розподілу електроенергії, тоді як конфігурація трикутника зазвичай застосовується для живлення трифазних навантажень, таких як електродвигуни.

Малюнок 5: Трифазні конфігурації Y та Delta

Напруга, у якому електромережа поставляє однофазну електроенергію своїм користувачам, має різні значення залежно від географічного розташування. Ось чому дуже важливо перевірити діапазон вхідної напруги джерела живлення перед його покупкою або використанням, щоб переконатися, що він призначений для роботи в мережі вашої країни. В іншому випадку ви можете пошкодити джерело живлення або підключений пристрій.

У таблиці 2 порівнюються напруги в мережах у різних регіонах світу.

*У національній електромережі Японії дві частоти через витоки її електрифікації наприкінці 19 століття. У західному місті Осака постачальники електроенергії закупили генератори на 60 Гц у Сполучених Штатах, а в Токіо, що на сході Японії, вони закупили німецькі генератори на 50 Гц. Обидві сторони відмовилися змінювати частоту, і до сьогодні в Японії все ще використовуються дві частоти: 50 Гц на сході, 60 Гц на заході.

Як згадувалося раніше, трифазне харчування використовується не тільки для транспорту, але і для живлення великих навантажень, таких як електродвигуни або заряджання великих акумуляторів. Це пов'язано з тим, що паралельне застосування живлення в трифазних системах може передавати набагато більше енергії навантаженню і може робити це рівномірніше через перекриття трьох фаз (див. малюнок 6).

Малюнок 6: Передача електроенергії в однофазних (ліворуч) та трифазних (праворуч) системах

Наприклад, при зарядці електромобіля (EV) кількість енергії, яку можна передати акумулятору, визначає, наскільки швидко він заряджається.

Однофазні зарядні пристрої підключаються до мережі змінного струму (AC) і перетворюються на постійний струм (DC) внутрішнім перетворювачем змінного струму на постійний струм (також званим бортовим зарядним пристроєм). Ці зарядні пристрої обмежені за потужністю мережею та розеткою змінного струму.

Обмеження варіюється від країни до країни, але зазвичай становить менше ніж 7 кВт для розетки 32 А (у ЄС 220 x 32 А = 7 кВт). З іншого боку, трифазні джерела живлення перетворюють потужність змінного струму в постійний струм зовнішнім способом і можуть передавати більше 120 кВт в акумулятор, забезпечуючи надшвидку зарядку.

Резюме

Джерела живлення змінного/постійного струму є скрізь. Основне завдання джерела живлення змінного/постійного струму — перетворювати змінний струм (AC) на стабільну напругу постійного струму (DC), яка потім може використовуватися для живлення різних електричних пристроїв.

Змінний струм використовується передачі електроенергії по всій електромережі, від генераторів до кінцевих користувачів. Ланцюг змінного струму (AC) може бути налаштований як однофазна або трифазна система. Однофазні системи простіше і можуть забезпечувати достатньо потужності для живлення всього будинку, але трифазні системи можуть забезпечувати набагато більшу потужність більш стабільним способом, тому часто використовують для живлення промислових додатків.

Розробка ефективного джерела живлення змінного/постійного струму — непросте завдання, оскільки сучасні ринки потребують високопотужних, надзвичайно ефективних, мініатюрних джерел живлення, здатних підтримувати ефективність у широкому діапазоні навантажень.

Методи проектування джерела живлення змінного/постійного струму змінилися. Лінійні блоки живлення змінного/постійного струму обмежені за розміром та ефективністю, оскільки вони працюють на низьких частотах і регулюють вихідну температуру, розсіюючи надмірну енергію у вигляді тепла. Навпаки, імпульсні блоки живлення стали надзвичайно популярними, оскільки вони використовують імпульсні регулятори для перетворення змінного струму на постійний струм. Імпульсні блоки живлення працюють на більш високих частотах і перетворюють електричну потужність набагато ефективніше за попередні конструкції, що дозволило створити потужні блоки живлення змінного/постійного струму розміром з долоню.