Джерела живлення постійного струму. Основи. Закінчення

ТЕОРІЯ РЕГУЛЬОВАНОГО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ

Регульоване джерело живлення постійного струму – це, по суті, нерегульоване джерело живлення з додаванням регулятора напруги. Це дозволяє підтримувати стабільність напруги незалежно від величини струму, споживаного навантаженням, за умови, що не перевищуються задані обмеження.

Рисунок 5: Блок-схема — Регульоване живлення

У регульованих джерелах живлення схема постійно вибірково вимірює частину вихідної напруги та регулює систему, щоб підтримувати вихідну напругу на необхідному рівні. У багатьох випадках додаткові схеми включаються для забезпечення обмеження струму або напруги, фільтрації шуму та регулювання вихідної потужності.

ЛІНІЙНИЙ, КОМУТОВАНИЙ ЧИ НА БАТАРЕЙКАХ?

Існує три підмножини регульованих джерел живлення: лінійні, комутовані та батарейні. З трьох основних конструкцій регульованих джерел живлення лінійна є найменш складною системою, але комутовані та батарейні джерела живлення мають свої переваги.

Лінійне джерело живлення

Лінійні джерела живлення використовуються, коли найважливіше точне регулювання та усунення шуму. Хоча вони не є найефективнішим джерелом живлення, вони забезпечують найкращу продуктивність. Назва походить від того, що вони не використовують перемикач для регулювання вихідної напруги.

Лінійні джерела живлення доступні вже багато років, і їх використання є широким та надійним. Вони також відносно безшумні та комерційно доступні. Недоліком лінійних джерел живлення є те, що вони вимагають більших компонентів, отже, є більшими та розсіюють більше тепла, ніж імпульсні джерела живлення. Порівняно з імпульсними джерелами живлення та батареями, вони також менш ефективні, іноді демонструючи лише 50% ККД.

Імпульсне джерело живлення

Імпульсні джерела живлення (SMPS) складніші у конструкції, але мають більшу універсальність у полярності та, за умови правильного проектування, можуть мати ККД 80% або більше. Хоча вони мають більше компонентів, вони менші та дешевші, ніж лінійні джерела живлення.

Рисунок 6: Блок-схема — Регульоване імпульсне джерело живлення

Однією з переваг режиму комутації є менші втрати на комутаторі. Оскільки імплементаційні джерела живлення (SMPS) працюють на вищих частотах, вони можуть випромінювати шум і створювати перешкоди для інших схем. Необхідно вжити заходів щодо придушення перешкод, таких як екранування та дотримання протоколів компонування.

Переваги імпульсних джерел живлення полягають у тому, що вони зазвичай малі та легкі, мають широкий діапазон вхідної напруги та вищий діапазон вихідної напруги, а також набагато ефективніші, ніж лінійні джерела живлення. Однак, імпульсний джерело живлення (SMPS) має складну схему, може забруднювати мережу змінного струму, є більш шумним та працює на високих частотах, що вимагає зменшення перешкод.

Живлення від батарейок

Живлення від батарейок – це третій тип джерела живлення, який по суті є мобільним накопичувачем енергії. Живлення від батарейок створює незначний шум, що перешкоджає роботі електроніки, але втрачає ємність і не забезпечує постійної напруги, коли батареї розряджаються. У більшості застосувань, що використовують лазерні діоди, батареї є найменш ефективним методом живлення обладнання. Більшість батарей важко підібрати до навантаження за правильною напругою. Використання батареї, яка може перевищувати внутрішню потужність розсіювання драйвера або контролера, може пошкодити ваш пристрій.

ВИБІР БЛОКУ ЖИВЛЕННЯ

• При виборі блоку живлення необхідно враховувати кілька вимог.

• Вимоги до живлення навантаження або кола, включаючи

 напруга

 ток

• Функції безпеки, такі як обмеження напруги та струму, для захисту навантаження.

• Фізичні розміри та ефективність.

• Завадостійкість системи.

ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПРО ПЕРЕВАНТАЖЕННЯ СТРУМУ

Поряд з вищезазначеними міркуваннями, блок живлення повинен працювати з номінальним вихідним струмом нижче максимального. Навантаження, що споживають струм, більший за номінальний для адаптера, можуть призвести до нестабільних результатів або несправності пристрою. Перевантаження перетворювача може призвести до перегріву та, зрештою, до виходу з ладу, що може спричинити пожежу або пошкодження самого навантаження.

ВАЖЛИВІ СПЕЦИФІКАЦІЇ

Хоча всі характеристики блоку живлення є цінними, деякі з них є більш важливими за інші. Ось кілька характеристик, які варто зазначити:

Вихідний струм: Максимальний струм, який може подаватись на навантаження.

Регулювання навантаження: Регулювання навантаження – це те, наскільки добре регулятор може підтримувати свій вихідний сигнал при зміні струму навантаження, і зазвичай вимірюється в мілівольтах (мВ) або як максимальна вихідна напруга.

Шум і пульсації: Шум – це будь-які додані та небажані електронні перешкоди, а пульсації – це невелика зміна напруги під час перетворення змінного струму на постійний. Зазвичай ці показники об'єднуються в один вимір. В імпульсних джерелах живлення вимірювання наводиться в розмаху, показуючи ступінь шумових піків, що виникають внаслідок перемикання.

Захист від перенапруги: Іноді вихідна напруга може перевищувати свої номінальні значення та пошкодити навантаження. Захист від перенапруги – це схема, яка вимикає джерело живлення, якщо перевищено граничні значення напруги.

Захист від перевантаження : Захист від перевантаження – це запобіжний захід, який використовується для запобігання пошкодженням у разі короткого замикання або перевантаження по струму. Подібно до автоматичного вимикача в будинку, захист від перевантаження вимикає живлення, щоб навантаження не було пошкоджено.

ККД : ККД – це співвідношення потужності, що витягується з електромережі та фактично перетворюється на постійний струм. Гарний блок живлення SMPS працюватиме з ККД щонайменше 80%, а за умови правильного проектування системи може працювати ще з вищими швидкостями. Ефективна система зменшить тепловиділення та заощадить енергію.

ШУМ І ПУЛЬСАЦІЇ

Шум і пульсації є артефактами перетворення змінного струму в постійний і побічним продуктом випрямлення та комутації. Під час перетворення змінну синусоїду неможливо повністю придушити. Ці артефакти зазвичай об'єднуються в одну специфікацію, наведену в розмаху напруги, яка показує ступінь шумових піків, що виникають внаслідок комутації, що може негативно впливати на чутливі прилади.

Невеликі коливання напруги називаються пульсаціями. Часто величина коливань залежить від того, наскільки добре джерело живлення узгоджено з навантаженням.

Шум – це небажані додавання, що виникають поза межами звичайної пульсації. Він походить з багатьох інших джерел, включаючи комутаційний та електронний шум, що генерується поза джерелом живлення, наприклад, від сусідньої електроніки. Шум зазвичай виникає разом із пульсаціями та є набагато більш мінливим та непередбачуваним. Комутаційний шум зазвичай виникає на дуже високих частотах.

На рисунку 7 показано приклад шуму (створеного перемиканням) та пульсацій у блоці живлення середньої якості.

Рисунок 7: Пульсації та шум для регульованого, комутованого живлення, що відповідає джерелу живлення середньої якості

На рисунку 8 показано потенціал шуму в регульованому лінійному джерелі живлення. Хоча він значно менший, ніж пульсації регульованого імпульсного джерела живлення, він все ще може бути достатньо значним, щоб маскувати дані. Якщо шум і пульсації дуже високі, невеликі сигнали можуть бути перевантажені або термін служби обладнання може бути значно скорочений. Однак, завдяки високоякісному джерелу живлення, його можна практично усунути.

Рисунок 8: Пульсації та шум для регульованої лінійної потужності, що відповідає джерелу живлення середньої якості

ЧАСТІ ЗАПИТАННЯ

• Який струм потрібен моєму блоку живлення?

Гарне емпіричне правило полягає в тому, щоб поєднати величину струму керування, необхідного для задоволення потреб навантаження, та струму, необхідного для живлення контролерів, а потім додати 10% як буфер.

• Чи можу я використовувати той самий блок живлення для керування контролерами температури та лазера?

Так, за умови, що вибрана напруга відповідає потребам навантаження та знаходиться в межах безпечної робочої зони (SOA) контролера, а лазер, термоелектричний датчик та датчик температури не заземлені.

Для отримання додаткової інформації про SOA див. Примітку до застосування AN-LDTC01: Принцип безпечної робочої зони.

Для отримання додаткової інформації про заземлення див. Примітку до застосування AN-LD16: Заземлення зі спеціальними конфігураціями лазерних діодів.

• Чи можна використовувати один і той самий блок живлення для керування кількома контролерами температури одночасно?

Так, але їх слід підключати за схемою «зірка» (окремі), а не послідовно (пов'язані), щоб забезпечити однакову напругу на кожному пристрої.

• Чи можна використовувати блок живлення 30 В з контролером температури, характеристики якого розраховані на 5 – 30 В?

Так, якщо напруга навантаження достатньо висока. Використовуйте калькулятор безпечної робочої зони (SOA) для контролера, щоб визначити, чи сумісні навантаження та напруга живлення.

• Чи можна використовувати блок живлення 4,5 В?

Перегляньте мінімальні характеристики контролера в розділі «Абсолютні максимуми» технічного опису. Якщо дозволено, відніміть падіння напруги на контролері від 4,5 В, щоб перевірити, чи буде достатньо напруги для навантаження.

• Якої довжини мають бути мої кабелі?

Довші кабелі створюють більше шуму та призводять до більшого падіння напруги між джерелом живлення та навантаженням. Щоб мінімізувати вплив шуму, скрутіть кабелі разом або використовуйте екрановані кабелі. Щоб мінімізувати падіння напруги, робіть їх якомога коротшими.

• Який калібр дроту слід використовувати?

Калібр* визначає допустиму струмову здатність і має перевищувати специфікацію навантаження. Наприклад, згідно з Таблицею 2, де наведено деякі стандартні калібри та допустимі навантаження для одножильного дроту, для навантаження 2 А знадобиться дріт 20-го калібру, а не 22-го. Це пояснюється тим, що дріт 20-го калібру допускає струм 3,2 А, що перевищує вимогу 2 А.

* Калібр дроту - це система позначення товщини дроту, що часто використовується для визначення його електричної провідності і механічної міцності. В основному використовується американська система калібрів AWG (American Wire Gauge). Менший номер калібру AWG відповідає більшому діаметру і, отже, більшій пропускній здатності струму.

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