Что такое источник питания и какими они бывают

Источник питания - это электрическое устройство, которое подает электроэнергию на электрическую нагрузку. Основное назначение источника питания - преобразовывать электрический ток, поступающий от источника, в правильное напряжение, ток и частоту для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называют преобразователями электроэнергии. Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные элементы оборудования, в то время как другие встроены в нагрузочные устройства, которые они питают. Примерами последнего являются источники питания, используемые в настольных компьютерах и устройствах бытовой электроники. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасных уровней, отключение тока в случае электрической неисправности, кондиционирование питания для предотвращения попадания в нагрузку электронных помех или скачков напряжения на входе, коррекцию коэффициента мощности и накопление энергии, позволяющей продолжать питать нагрузку в случае временного отключения источника питания (источника бесперебойного питания).

Все источники питания имеют соединение для ввода мощности, которое получает энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько соединений для вывода мощности или рельсовых соединений, которые подают ток к нагрузке. Источник питания может исходить от электрической сети, таких как розетки, энергия хранения устройств, таких как батареи или топливные элементы, генераторы или генераторы, солнечная энергия преобразователи, или другой источник питания. Вход и выход обычно имеют проводное подключение, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания своих нагрузок без проводного подключения. Некоторые источники питания имеют и другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.

Общая классификация источников питания

Функциональные характеристики

Источники питания классифицируются по-разному, в том числе по функциональным характеристикам. Например, регулируемый источник питания - это тот, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выходная мощность нерегулируемого источника питания может существенно изменяться при изменении его входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических элементов управления (например, ручек на передней панели блока питания), или с помощью управляющего входа, или с помощью того и другого. Регулируемый источник питания - это тот, который одновременно регулируется. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, которая электрически независима от его потребляемой мощности; это в отличие от других источников питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом.

Корпус блока питания

Источники питания упаковываются по-разному и классифицируются соответственно. Настольный источник питания - это автономное настольное устройство, используемое в таких приложениях, как тестирование схем и разработка. Источники питания с открытой рамой имеют лишь частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; обычно они встраиваются в механизмы или другое оборудование. Блоки питания, устанавливаемые в стойку, предназначены для крепления в стандартных стойках электронного оборудования. Интегрированный источник питания - это тот, который использует общую печатную плату со своей нагрузкой. Внешний источник питания, адаптер переменного тока или блок питания, представляет собой источник питания, расположенный в шнуре питания нагрузки переменного тока, который подключается к настенной розетке; настенная бородавка - это внешний источник питания, встроенный в саму розетку. Они популярны в бытовой электронике из-за своей безопасности; опасный основной ток напряжением 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение, прежде чем попасть в корпус прибора.

Способ преобразования мощности

Источники питания в широком смысле можно разделить на линейные и коммутационные типы. Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все активные компоненты преобразования мощности работают в своих линейных рабочих зонах. В импульсных преобразователях мощности входная мощность преобразуется в импульсы переменного или постоянного тока перед обработкой компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторами, которые большую часть своего времени проводят в режиме отключения или насыщения). Мощность "теряется" (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в своих линейных областях, и, следовательно, коммутационные преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.

Типы источников питания

Источники питания постоянного тока

Источник питания переменного тока в постоянный работает от входного напряжения переменного тока и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от требований приложения выходное напряжение может содержать большое или незначительное количество частотных составляющих переменного тока, известных как пульсации напряжения, связанных с частотой входного напряжения переменного тока и работой источника питания. Источник питания постоянного тока, работающий на постоянном входном напряжении, называется преобразователем постоянного тока в постоянный. В этом разделе основное внимание уделяется варианту преобразования переменного тока в постоянный.

Линейные источники питания

В линейном источнике питания входное напряжение переменного тока проходит через силовой трансформатор, а затем выпрямляется и фильтруется для получения постоянного напряжения. Фильтрация уменьшает амплитуду частоты сети переменного тока, присутствующей на выходе выпрямителя, и может быть такой же простой, как один конденсатор, или более сложной, такой как пи-фильтр. Допуск электрической нагрузки к пульсациям определяет минимальную степень фильтрации, которую должен обеспечивать источник питания. В некоторых приложениях пульсации могут быть полностью проигнорированы. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов источник питания состоит только из трансформатора и диода с простым резистором, размещенным на выходе источника питания для ограничения зарядного тока.

Источник питания с переключаемым режимом

В импульсном источнике питания (SMPS) вход сети переменного тока напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Полученное постоянное напряжение затем включается и выключается на высокой частоте с помощью электронной коммутационной схемы, создавая таким образом переменный ток, который будет проходить через высокочастотный трансформатор или катушку индуктивности. Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц — 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и фильтрующие конденсаторы, которые намного меньше, легче и дешевле, чем те, которые используются в линейных источниках питания, работающих на частоте сети. После включения вторичной обмотки катушки индуктивности или трансформатора высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если ИИП использует надлежащую изоляцию, высокочастотный трансформатор, на выходе будет электрически изолирован от сети; эта особенность часто является необходимым для обеспечения безопасности.

Источники питания с коммутацией обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения в источнике питания используется контроллер обратной связи, который контролирует ток, потребляемый нагрузкой. Рабочий цикл переключения увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.

SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или цепь от лома, помогающие защитить устройство и пользователя от вреда.[1] В случае обнаружения аномально высокого потребления тока источник питания с переключаемым режимом может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится сам до того, как будет нанесен ущерб. Источники питания ПК часто подают на материнскую плату сигнал power good; отсутствие этого сигнала препятствует работе при ненормальном напряжении питания.

Некоторые SMPS имеют абсолютное ограничение на их минимальную выходную мощность по току.[2] Они способны выдавать мощность только выше определенного уровня и не могут функционировать ниже этого значения. В режиме холостого хода частота цепи отключения питания возрастает до огромной скорости, заставляя изолированный трансформатор действовать как катушка Тесла, вызывая повреждения из-за возникающих в результате очень высоких скачков напряжения. Переключаемые источники питания со схемами защиты могут ненадолго включаться, но затем отключаться, когда нагрузка не обнаружена. Очень маленький маломощный эквивалент нагрузки, такие как керамическая мощность резистора или 10-ваттной лампочкой может быть присоединен к источнику, чтобы разрешить его запуск без нагрузки на основной прилагается.

Источники питания с переключаемым режимом, используемые в компьютерах, исторически имели низкие коэффициенты мощности, а также были значительными источниками линейных помех (из-за индуцированных гармоник в линиях питания и переходных процессов). В простых источниках питания с переключаемым режимом входной каскад может искажать форму сигнала линейного напряжения, что может отрицательно повлиять на другие нагрузки (и привести к ухудшению качества электроэнергии для других потребителей коммунальных услуг), а также вызвать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования. Кроме того, клиенты оплачивают более высокие счета за электроэнергию при работе с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые компьютерные блоки питания с переключаемым режимом питания выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные каскады переключения для уменьшения помех в линии.

Емкостный (бестрансформаторный) источник питания

Емкостный источник питания (бестрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатора для снижения сетевого напряжения до меньшего переменного. Как правило, полученное в результате пониженное напряжение переменного тока затем выпрямляется, фильтруется и регулируется для получения постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Выходное напряжение не изолировано от сети. Следовательно, чтобы избежать воздействия опасного высокого напряжения на людей и оборудование, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано. Конденсатор для снижения напряжения должен выдерживать полное напряжение сети, а также иметь достаточную емкость для поддержания максимального тока нагрузки при номинальном выходном напряжении. В совокупности эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа источника питания в приложениях с низким энергопотреблением.

Линейный регулятор

Функция линейного регулятора напряжения заключается в преобразовании изменяющегося постоянного напряжения в постоянное, часто определенное, более низкое постоянное напряжение. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от перегрузки по току (чрезмерного, потенциально разрушительного тока).

Во многих приложениях с источниками питания требуется постоянное выходное напряжение, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет меняться в зависимости от изменения импеданса нагрузки. Кроме того, когда источником энергии является нерегулируемый источник постоянного тока, его выходное напряжение также будет меняться в зависимости от изменения входного напряжения. Чтобы обойти это, некоторые источники питания используют линейный регулятор напряжения для поддержания выходного напряжения на постоянном значении, независимом от колебаний входного напряжения и импеданса нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсаций и шумов на выходном напряжении.

Источники питания переменного тока

Источник питания переменного тока обычно получает напряжение от настенной розетки (сетевого питания) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемого. Также может иметь место некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется изолирующим трансформатором. Другие трансформаторы переменного тока не обеспечивают изоляции от сети; они называются автотрансформаторами; автотрансформатор с переменной выходной мощностью известен как variac. Другие виды источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока, а выходное напряжение может варьироваться в зависимости от полного сопротивления нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильный аккумулятор), для преобразования его в переменный ток могут использоваться инвертор и повышающий трансформатор. Портативное питание переменного тока может обеспечиваться с помощью генератора переменного тока, работающего от дизельного или бензинового двигателя (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или резервного источника питания для аварийных служб), ток которого подается в цепь регулятора для обеспечения постоянного напряжения на выходе. Некоторые виды преобразования энергии переменного тока не используют трансформатор. Если выходное и входное напряжения одинаковы, и основным назначением устройства является фильтрация переменного тока, его можно назвать линейным кондиционером. Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания. Схема может быть сконструирована с топологией умножителя напряжения для непосредственного увеличения мощности переменного тока; ранее таким приложением был вакуумный ламповый приемник переменного / постоянного тока.

В современном использовании источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты, а также напряжения, они часто используются производителями для проверки пригодности своей продукции для использования в других странах. 230 В 50 Гц или 115 В 60 Гц или даже 400 Гц для тестирования авионики.

Адаптер переменного тока

Адаптер переменного тока - это источник питания, встроенный в сетевую вилку переменного тока. Адаптеры переменного тока также известны под различными другими названиями, такими как "plug pack" или "подключаемый адаптер", или под жаргонными терминами, такими как "настенная бородавка". Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по проводному кабелю к разъему, но некоторые адаптеры имеют несколько выходов, которые могут передаваться по одному или нескольким кабелям. "Универсальные" адаптеры переменного тока имеют сменные входные разъемы для подключения к различным напряжениям сети переменного тока.

Адаптеры с выходами переменного тока могут состоять только из пассивного трансформатора; в случае выхода постоянного тока адаптеры состоят либо из трансформатора с небольшим количеством диодов и конденсаторов, либо они могут использовать переключаемую схему питания. Адаптеры переменного тока потребляют электроэнергию (и создают электрические и магнитные поля), даже когда они не подключены к нагрузке; по этой причине их иногда называют "электрическими вампирами", и они могут быть подключены к сетям питания, чтобы их можно было удобно включать и выключать.

Программируемый источник питания

Программируемый источник питания (PPS) - это тот, который позволяет дистанционно управлять его работой через аналоговый вход или цифровой интерфейс, такой как RS-232 или GPIB. Контролируемые свойства могут включать напряжение, ток, а в случае источников питания переменного тока - частоту. Они используются в широком спектре применений, включая автоматизированное тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов, изготовление полупроводников и генераторы рентгеновского излучения.

Программируемые источники питания обычно используют встроенный микрокомпьютер для управления и мониторинга работы источника питания. Источники питания, оснащенные компьютерным интерфейсом, могут использовать собственные протоколы связи или стандартные протоколы и языки управления устройствами, такие как SCPI.

Источник бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания (ИБП) получает питание от двух или более источников одновременно. Обычно он питается непосредственно от сети переменного тока с одновременной зарядкой аккумуляторной батареи. В случае отключения или выхода из строя электросети батарея мгновенно включается в работу, так что нагрузка никогда не прерывается. Мгновенность здесь следует определять как скорость распространения электричества по проводникам, которая несколько приближается к скорости света. Это определение важно, поскольку передача высокоскоростных данных и услуги связи должны быть непрерывными. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако при высокой скорости передачи данных даже 4 мс времени на переход от одного источника к другому недостаточно. Переход должен быть выполнен методом break before make. ИБП, отвечающий этому требованию, называется настоящим ИБП или гибридным ИБП. Продолжительность работы ИБП чаще всего зависит от батарей и в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от квази-минимальных 5-15 минут до часов или даже дней. Во многих компьютерных установках заряда батарей хватает только на то, чтобы дать операторам время для упорядоченного отключения системы. Другие схемы ИБП могут использовать двигатель внутреннего сгорания или турбину для подачи электроэнергии во время отключения электроэнергии, и в этом случае время автономной работы зависит от того, сколько времени требуется генератору для работы в сети и от критичности обслуживаемого оборудования. Такая схема встречается в больницах, центрах обработки данных, центрах обработки вызовов, узлах сотовой связи и телефонных центрах.

Высоковольтный источник питания

Высоковольтный источник питания - это тот, мощность которого составляет сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, который предотвращает образование дуги, пробой изоляции и случайный контакт с человеком. Разъемы федерального стандарта обычно используются для приложений напряжением выше 20 кВ, хотя другие типы разъемов (например, разъем SHV) могут использоваться при более низких напряжениях. Некоторые высоковольтные источники питания имеют аналоговый входной сигнал или цифровой коммуникационный интерфейс, который может использоваться для управления выходным напряжением. Высоковольтные источники питания обычно используются для ускорения электронных и ионных пучков и манипулирования ими в таком оборудовании, как генераторы рентгеновского излучения, электронные микроскопы и колонки с сфокусированным ионным пучком, а также во множестве других применений, включая электрофорез и электростатику.

Высоковольтные источники питания обычно направляют основную часть потребляемой энергии на инвертор мощности, который, в свою очередь, приводит в действие умножитель напряжения или преобразователь с большим числом оборотов, высоковольтный трансформатор или и то, и другое (обычно трансформатор, за которым следует умножитель) для получения высокого напряжения. Высокое напряжение выводится из источника питания через специальный разъем, а также подается на делитель напряжения, который преобразует его в низковольтный измерительный сигнал, совместимый с низковольтными схемами. Измерительный сигнал используется контроллером с замкнутым контуром, который регулирует высокое напряжение путем управления входной мощностью инвертора, и он также может передаваться из источника питания, чтобы позволить внешним схемам контролировать выходное высокое напряжение.

Биполярный источник питания

Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах декартовой плоскости напряжение / ток, что означает, что он будет генерировать положительные и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания регулирования. Когда его выходной сигнал управляется низкоуровневым аналоговым сигналом, он фактически является операционным усилителем с низкой полосой пропускания с высокой выходной мощностью и плавным переходом через ноль. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях.

Технические характеристики

Пригодность конкретного источника питания для конкретного приложения определяется различными характеристиками источника питания, которые обычно перечислены в спецификации источника питания. Обычно для источника питания указываются следующие атрибуты:

Часто используемые сокращения, используемые в спецификациях источников питания:

Управление температурой

Источник питания электрической системы имеет тенденцию выделять тепло. Чем выше КПД, тем больше тепла отводится от устройства. Существует множество способов управления теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории - конвекционное и кондуктивное. Распространенные методы конвекционного охлаждения электронных источников питания включают естественный поток воздуха, принудительный воздушный поток или другой поток жидкости над устройством. Распространенные методы кондуктивного охлаждения включают радиаторы, холодные пластины и термокомпаунды.

Защита от перегрузки

Источники питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели являются двумя широко используемыми механизмами защиты от перегрузки.

Предохранитель содержит короткий кусок провода, который плавится при протекании слишком большого тока. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена проблема, вызвавшая перегрузку, и заменен предохранитель. В некоторых источниках питания в качестве предохранителя используется очень тонкий провод, припаянный к месту. Предохранители в блоках питания могут быть заменены конечным пользователем, но для доступа к предохранителям в бытовом оборудовании могут потребоваться инструменты для их замены.

Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревается, изгибается и приводит в действие пружину, которая отключает цепь. Как только элемент остынет и проблема будет выявлена, выключатель можно перезагрузить и восстановить питание.

В некоторых блоках питания используется тепловой выключатель, встроенный в трансформатор, а не предохранитель. Преимущество в том, что он позволяет потреблять больший ток в течение ограниченного времени, чем устройство может подавать непрерывно. Некоторые такие выключатели самоустанавливаются, некоторые предназначены только для одноразового использования.

Ограничение тока

В некоторых источниках питания используется ограничение тока вместо отключения питания при перегрузке. Используются два типа ограничения тока: электронное ограничение и ограничение импеданса. Первый используется в блоках питания лабораторных стендов, второй - в источниках питания мощностью менее 3 Вт.

Ограничитель обратного тока уменьшает выходной ток до значительно меньшего значения, чем максимальный ток без сбоев.

Применение источников питания

Источники питания являются фундаментальным компонентом многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных областях применения. Этот список представляет собой небольшую выборку из множества областей применения источников питания.

Блоки питания в компьютерах

Современный компьютерный источник питания - это импульсный источник питания, который преобразует переменный ток из сети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные источники питания заменили линейные источники питания из-за повышения стоимости, веса, эффективности и габаритов. Разнообразный набор выходных напряжений также имеет сильно различающиеся требования к потребляемому току.

Аккумуляторы в электромобилях

Электромобили - это те, которые работают на энергии, вырабатываемой за счет выработки электроэнергии. Блок питания является частью конструкции, необходимой для преобразования энергии высоковольтных автомобильных аккумуляторов.

Сварочные аппараты

Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов путем их плавления. Электричество подается от сварочного источника питания и может быть как переменным, так и постоянным током. Дуговая сварка требует больших токов, обычно от 100 до 350 ампер. Некоторые типы сварки можно использовать как 10 ампер, в то время как некоторые применения точечной сварки применяют токи так высоко, как 60 000 ампер в течение очень короткого времени. Сварочные источники питания состоят из трансформаторов или двигателей, приводящих в действие генераторы; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать в себя микропроцессорное управление.

Электроснабжение самолетов

Как коммерческим, так и военным авиационным системам требуется источник питания постоянного тока или AC / DC для преобразования энергии в полезное напряжение. Часто они могут работать на частоте 400 Гц в интересах экономии веса.

Автоматические системы

Это относится к конвейерам, сборочным линиям, считывателям штрих-кодов, камерам, двигателям, насосам, полуфабрикатам и многому другому.

Медицинские аппараты

К ним относятся аппараты искусственной вентиляции легких, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, томографы и кровати.