8-900-374-94-44
В этой статье предлагаю рассмотреть достаточно простую схему, классический вариант, блока питания с регулировкой выходного напряжения и тока срабатывания защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания. Новичкам, которые первый раз видят данную схему наверняка будет не совсем понятен сам принцип действия и работа этого устройства. А что касается надежности этой схемы, то она уже проверена многими годами и многими радиолюбителями, электронщиками, которые в свое время обязательно должны были собирать этот регулируемый блок питания для своих различных электронных устройств. Так что схема проста, работоспособна и вполне надежна.
Давайте разберем эту схему. Вначале стоит обычный трансформаторный блок питания подходящей мощности. Поскольку в самой схеме регулятора напряжения стоит силовой транзистор КТ817, который может через свой переход коллектор-эмиттер пропустить до 3х ампер, то этим током пока и ограничимся.
Итак, наш регулируемый блок питания будет выдавать на своем выходе постоянное напряжение от 0 до 12 вольт, с максимальной силой тока до 3 А. Следовательно максимальная рабочая мощность блока питания будет около 36 Вт (мы 12 В умножаем на 3 А). Поскольку трансформаторы такой мощности имеют КПД примерно равный 80%, то этот трансформатор у нас должен быть мощностью где-то 50 Вт.
Чтобы мы на выходе данного блока питания получили свои максимальные 12 вольт, то нужно чтобы наш трансформатор на вторичной обмотке выдавал переменное напряжение не менее 13,5 вольт. Почему так. Просто небольшая часть напряжения, а именно где-то 1,2 вольта потеряется на схеме стабилизатора напряжения. Ну об этом чуть позже. В итоге, нужно найти трансформатор мощностью около 45-60 Вт, вторичная обмотка которого может обеспечить ток до 3 ампер и напряжение 13,5-15 вольт. Ну, и желательно чтобы размеры этого трансформатора были подходящими, компактными, а это значит что лучше приобретать тор (круглая форма магнитного сердечника).
В таких трансформаторах и размеры меньше и КПД выше. На входе первичной обмотке желательно предусмотреть плавкий предохранитель (на схеме обозначен как Z1), который в случае чего обезопасит схему блока питания от выгорания трансформатора.
Далее пониженное переменное напряжение, что выходит со вторичной обмотки трансформатора, поступает на диодный выпрямительный мост. Задача моста проста, сделать из переменного тока постоянный, то есть его выпрямить. На схеме я указал, что эти диоды в мосте D1 должны быть типа 1n4007, но изначально схема была нарисована на выходной тока до 1ого ампера. Именно этот ток (до 1 А) могут обеспечить данный тип диода. Поскольку мы уже делаем блок питания на 3 ампера, то либо нужен соответствующий диодный мост типа BR310 (можно и даже нужно делать запас по току и брать мосты ампер так на 5 или 6) либо же соединить параллельно 3 или 4 моста с диодами 1n4007. Обратное напряжение диодов моста должно быть, естественно, больше, чем напряжение, что на них подается.
Но как известно после диодного моста выходит пульсирующее напряжение, хотя оно уже и не меняет свою полярность. Чтобы эти пульсации убрать, или по крайней мере их свести к минимуму, то обычно для этого ставиться обычный фильтрующий конденсатор электролит. В схеме он обозначен как C1 и его емкость 500 микрофарад, хотя можно поставить и побольше, микрофарад так на 5000, будет только лучше. Учтите, что напряжение конденсаторов должно быть чуть больше того, которое на них подается в схеме при работе. Поскольку в противном случае возникает опасность выхода из строя данного конденсатора. Даже может бабахнуть.
Далее в регулируемом блоке питания, с защитой по току от КЗ и перегрузок, стоит сама схема, которая выполняет функцию регулируемого стабилизатора напряжения, и токовой защиты. В начале этой схемы стоит обычный параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона VD1 и резистора R1.
На стабилитроне оседает опорное напряжение, то на какое рассчитан сам стабилитрон.
В этой схеме нужен стабилитрон с напряжением стабилизации 13,5 вольт (14 В). Причем стоит заметить, выходное напряжение будет равно напряжению стабилитрона плюс 1,2 вольта, что потеряются на составном транзисторе, состоящем из VT1 и VT2 (на их база-эмиттерном переходе).
Напряжение питание должно быть больше хотя бы на 0,5-2 вольта, чем напряжение стабилитрона. Именно эта добавленное напряжение и нужно для нормальной, стабильной работы стабилитрона (параметрического стабилизатора). Сам стабилитрон можно поставить например Д814Д, либо поставить несколько параллельно соединенных стабилитронов и диодов, общее напряжение стабилизации чтобы было равно 14 вольтам.
Параллельно стабилитрону подключен переменный резистор R2. Именно им осуществляется регулировка величины выходного напряжения. Со среднего вывода этого резистора, относительно минуса, напряжение снимается и подается на базу первого транзистора VT1 (составного). Этот составной транзистор состоит из VT1 и VT2 и включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
А как известно, при таком подключении транзисторов усиление происходит только по току, напряжение же остается практически неизменным, и даже чуть меньше. И получается, что какое напряжение будет выставлено на переменном резисторе, то такое напряжение (с вычетом 1,2 В) и будет на выходе регулируемого блока питания. Но при этом через составной транзистор будет проходит максимально возможный ток, ограничивается только величиной нагрузки и максимально допустимым током самих силовых транзисторов (напомню, что КТ817 может выдерживать до 3 ампера). Этот транзистор следует установить на радиатор для лучшего охлаждения.
Ну и теперь что касается функции защиты по току от короткого замыкания и чрезмерной перегрузки. Как видно на схеме коллектор-эмиттерный переход транзистора VT3 подключен параллельно выводам переменного резистора, с которых снимается регулируемое напряжение. Следовательно, если этот транзистор защиты по току будет открываться, то тем самым он будет способствовать снижению выходного напряжения.
А это, естественно, приведет и к снижению величины силы тока в нагрузке. Ну, а чтобы транзистор защиты начал открываться, нужно появление напряжения на его база-эмиттерном переходе, который подключен к еще одному переменному резистору R3. Именно этим резистором можно регулировать силу тока перегрузки и КЗ. Этот переменный резистор подключен к еще одному резистору R4, который и выполняет роль датчика величины тока в цепи нагрузки.
Работа этого датчика тока проста. На рисунке под схемой (в нижнем, правом углу) можно увидеть три последовательно соединенных резистора, что соответствует сопротивлениям силового транзистора (коллектор-эмиттерный переход), сопротивления самой нагрузки и сопротивления резистора R4. Если мы увеличим нагрузку, уменьшив ее сопротивления, то напряжение будет перераспределяется между другими сопротивлениями в этой цепи. Следовательно на резисторе R4 при перегрузке или коротком замыкании увеличится напряжение, что и приведет к открытию защитный транзистор VT3. Сопротивления датчика тока R4 можно подбирать под нужный диапазон тока перегрузки и его величина может быть от 0,1 до 10 Ом.
При этом мощность этого сопротивления должна быть не менее 1 Ватта.
Ну и на выходе нашего блока питания стоит еще один конденсатор электролит, который еще лучше фильтрует возможные пульсации, делая выходное постоянное напряжении более стабильным и ровным. Его емкость может быть от 500 мкф до 2200 мкф и напряжением 16 или 25 вольт.
Видео по этой теме:
P.S. Эта схема проверена десятилетиями, и она собиралась и успешно использовалась многими электронщиками и радиолюбителями. Так что если Вы начинающий электронщик, обязательно попробуйте собрать эту схему. При чем она начинает работать сразу после сборки, ну а если что-то не получается, сначала попытайтесь понять сам принцип действия этой схемы, который я описал в данной статье. Ну, а на этом пожалуй и все, удачи и благополучия в делах.
« ЭлектроХоббиЧеловек, у которого электрика и электроника является хобби, увлечение, делами, что позволяют получать удовольствие или иметь дополнительный заработок, просто обязан иметь у себя в наличии блок питания с плавной регулировкой напряжения! Ведь работая с различной электрической и электронной техникой постоянно приходится сталкиваться с её питанием, а оно, как известно, не всегда одинаково. Постоянно искать источники питания с подходящим напряжением, тоже не выход. Именно в данном случае наиболее рациональным и правильным решением будет создание простого (или сложного, если есть в этом особая необходимость) блока питания, имеющего плавное регулирование напряжения питания. Простая, но надёжная схема представлена на рисунке, давайте её разберём.
Схема простого, регулируемого плавно, блока питания представляет собой две основные части, это сам блок питания и небольшая транзисторная схема параметрического регулятора напряжения. Первая часть содержит понижающий трансформатор, выпрямитель (диодный мост) и конденсатор (сглаживающий фильтр).
По большей части именно от выбора этих частей зависит мощность всего блока питания. Что бы не делать слишком большим блок питания ограничимся электрической мощностью в 30 Вт. Хотя для увеличения этой мощности достаточно будет поменять трансформатор, мост и выходной транзистор, имеющие соответствующие величины токов и напряжений.
Итак, находим трансформатор, который рассчитан на входное напряжение 220 вольт и выходное 12-15 вольт, вторичная обмотка должна иметь сечение, обеспечивающее номинальную силу тока в 2-3 ампера. Далее, спаиваем диодный мостик, элементы которого должны быть рассчитаны на ток не меньше 5 ампер (лучше брать с небольшим запасом). И к выходу моста припаяем фильтрующий конденсатор с ёмкостью от 1000 микрофарад и более. Схема плавно регулируемого параметрического стабилизатора после её сборки (спайки) должна сразу начать нормально работать, хотя если есть желание донастройки и точной регулировки внутренних параметров, можете сами по изменять имеющиеся электронные компоненты, поставив туда наиболее подходящие на Ваш взгляд.
Теперь расскажу о самой работе данной схемы плавно регулируемого блока питания. Трансформатор — его задача заключается в преобразовании электрической энергии, то есть он сетевое напряжение 220 вольт понижает до нужных 12 вольт. Заметим, что как был у нас переменный ток, так и остался, хотя и понизилась амплитуда. Диодный мостик занимается тем, что переводит все колебания в один полупериод, а именно значение тока после мостика уже меняется только от нуля и до 12 вольт, не меняя своего полюса. Но волнообразный ток подходит не для всех случаев питания электрооборудования, для многих устройств нужен именно постоянный ток, допускающий минимальные колебания. Для этого и нужен конденсатор, который сглаживает скачки напряжения.
Схема регулятора является параметрической, то есть в схеме создаётся некое опорное напряжение, уже от которого путём деления напряжения и усиления силы тока создаются необходимые выходные величины электрических параметров. С выхода мостика, на котором уже сглажены скачки (фильтрующим конденсатором), напряжение подаётся на цепь параметрического стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD2.
Тут напряжение делиться, причём на стабилитроне образуется некоторое постоянная его величина с малыми отклонениями. Если напряжение будет меняться, по причине внешних обстоятельств, то эти изменения только будут заметны на R1.
Параллельно стабилитрону, на котором образовалось опорное напряжение постоянной величины, включён переменный резистор R2, что, собственно, и осуществляет плавное изменение выходного напряжения на нашем регулируемом блоке питания. Когда мы его крутим, то получаем определённую величину постоянного напряжения, что далее делится между база-эмиттерными переходами транзисторов, включённых по схеме эмиттерных повторителей. А, как известно, включение по этой схеме заставляет транзисторы работать в режиме усиления только тока, при том, что напряжение остаётся как бы неизменным. То есть, напряжение снятое с переменного резистора передаётся на выход через транзисторы, которые понижают его только на величину своего насыщения (примерно от 0.4 до 0.7 вольт).
Проще говоря — выставили мы на переменном резисторе значение 5 вольт, оно передалось через транзисторы на выход (минус примерно 1.
2 вольта, что осели на транзисторных переходах база-эмиттер), а в силу усиления тока, мы получили повышение мощности, срезанной от основной, которая имеется на выходе диодного мостика. Транзисторы тут являются некими электрическими краниками, которыми мы управляем при помощи изменения напряжения на база-эмиттерных переходах. Чем больше мы подадим на них напряжения с переменного резистора, тем сильнее откроются транзисторы (понизится их внутреннее сопротивление) и больше электрической мощности передастся на выход регулируемого блока питания.
Видео по этой теме:
P.S. Эту электрическую схему простого регулируемого блока питания я когда-то давно (когда сам начинал заниматься электроникой) собрал для себя. Он меня не разу не подводил, я им проверял устройства, запитывал самодельные схемы, заряжал различные аккумуляторы и т.д. При желании этот блок питания можно доработать и снабдить дополнительными функциональными элементами, такими как внутренний вольтметр, амперметр, защиты от перегрузки и т.
д.
Схемы линейных источников питания. Учебное пособие. Включает:
Линейные источники питания.
Шунтовой регулятор
Серийный регулятор
Ограничитель тока
Регуляторы и схемы серии 78**
Регулятор напряжения LM317 и схемы
LDO, регуляторы с малым падением напряжения
См. также: Обзор электроники источника питания Импульсный источник питания Сглаживание конденсатора Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания
Цепи ограничения тока являются ключевым элементом источников питания, защищая их в случае короткого замыкания или других условий перегрузки.
Ввиду возможного повреждения источника питания в случае перегрузки почти всегда устанавливаются ограничители тока, которые являются стандартной функцией, включенной в ИС регулируемых источников питания.
Как следует из названия, схема ограничения тока ограничивает ток от регулируемого источника питания до максимальной величины, определяемой схемой, и таким образом можно избежать серьезного повреждения цепей, как источника питания, так и питаемой цепи. .
Эти схемы более применимы к линейным источникам питания, хотя аналогичные методы измерения могут использоваться в импульсных источниках питания.
Как и в случае с любой технологией и типом электронной схемы, существует несколько вариантов выбора, и выбор необходимо делать в зависимости от конкретных требований к конструкции электронной схемы.
То же самое относится к ограничителям тока, используемым в регулируемых источниках питания, где схемы ограничения тока относятся к определенным категориям.
Существует два основных типа схемы ограничения тока:
При использовании ограничения постоянного тока выходное напряжение поддерживается по мере увеличения тока до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой достигается максимум.
Это основная форма ограничения тока, используемая в регулируемых источниках питания. Схема проста и использует всего несколько электронных компонентов, но она не уменьшает ток в случае короткого замыкания — он поддерживается на максимальном уровне, что может привести к повреждению схемы.
Одним из недостатков является то, что при срабатывании ограничения тока потребляется максимальный ток, но в этот момент выходное напряжение падает, а это означает, что последовательный транзистор в регулируемом блоке питания имеет повышенное напряжение. Это увеличивает рассеиваемую мощность внутри устройства.
В точке, где выходное напряжение близко к нулю, потребляется максимальный ток, в то время как напряжение на ней равно полному входному напряжению цепей сглаживания и выпрямления.
Это не идеально, потому что на этапе проектирования электронной схемы необходимо сделать поправку на это, требуя, возможно, более крупного последовательного проходного транзистора, а также дополнительного теплоотвода, что увеличивает стоимость и размер регулируемого источника питания.
В этом типе ограничения тока, используемом в регулируемых источниках питания, выходное напряжение поддерживается до момента, когда начинает действовать ограничение тока. В этот момент, вместо того, чтобы просто ограничивать ток, ток фактически начинает уменьшаться. Таким образом, чем больше перегрузка, тем меньше ток, и тем самым снижается риск повреждения.
Ограничение обратного тока в регуляторе напряжения снижает энергопотребление, поскольку по мере увеличения перегрузки ток снижается, а общее энергопотребление падает, что позволяет удерживать тепловыделение последовательного проходного транзистора в более разумных пределах.
Характеристика ограничения тока с обратной связьюНесмотря на немного более сложный подход, ограничение тока с обратной связью может быть реализовано с использованием относительно небольшого количества электронных компонентов.
Поскольку эта функция обычно встроена в интегральные схемы регулируемых источников питания, дополнительные затраты на использование обратного ограничения по сравнению с ограничением постоянного тока незначительны.
Соответственно, в этих ИС практически всегда используется обратная схема ограничения тока.
Ограничитель тока с обратной связью может также включать временную задержку, чтобы избежать проблемы с блокировкой.
Две разные формы ограничения тока линейного источника питания, как правило, используются в разных областях, фактический тип, используемый для любого конкретного приложения, выбирается на этапе проектирования электронной схемы проекта.
Существует ряд схем, которые можно использовать для ограничения постоянного тока для защиты источника питания, но в одной из самых простых схем используются всего три электронных компонента: два диода и резистор.
В схеме ограничения тока источника питания используется чувствительный резистор, включенный последовательно с эмиттером выходного проходного транзистора. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой проходного транзистора, обеспечивают токоограничивающее действие.
Когда схема работает в нормальном рабочем диапазоне, на последовательном резисторе присутствует небольшое напряжение. Это напряжение плюс напряжение базы-эмиттера транзистора меньше, чем два падения диодного перехода, необходимые для включения двух диодов, чтобы они могли проводить ток. Однако по мере увеличения тока увеличивается и напряжение на резисторе.
Когда оно равно напряжению включения для диода, напряжение на резисторе плюс падение на переходе база-эмиттер для транзистора равняется двум падениям на диоде, и в результате это напряжение появляется на двух диодах, которые начинают проводить. Это начинает снижать напряжение на базе транзистора, тем самым ограничивая потребляемый ток.
Схема этого диодного ограничителя тока для линейного источника питания особенно проста, и, соответственно, конструкция электронной схемы также очень проста.
Значение последовательного резистора можно рассчитать таким образом, чтобы напряжение на нем возрастало до 0,6 В (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше обеспечить некоторый запас, ограничивая ток от простого стабилизатора питания до того, как будет достигнут абсолютный максимальный уровень.
Такая же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в схемы линейных источников питания, которые используют обратную связь для определения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точную регулировку выходного сигнала. Если точка измерения выходного напряжения находится после последовательного резистора измерения тока, то падение напряжения на нем можно скорректировать на выходе.
Свернутая схема ограничения тока дает гораздо лучшие характеристики, чем обычная схема ограничения постоянного тока, используемая в более простых приложениях питания.
Транзисторный линейный стабилизатор питания с ограничением токаВ обратной схеме используется несколько дополнительных электронных компонентов, в том числе транзистор и несколько резисторов, но она обеспечивает гораздо лучшую защиту источника питания и питаемых цепей.
Схема работает, потому что по мере увеличения нагрузки увеличивающаяся доля напряжения между эмиттером и землей падает на резисторе R3 — чем меньше нагрузка, тем эффект делителя потенциала означает, что больше напряжения падает на резисторе R3.
Достигнут момент, когда транзистор Tr3 начинает открываться. Когда это происходит, он начинает ограничивать ток.
Если сопротивление нагрузки становится меньше, то напряжение на резисторе R3 увеличивается, больше включает Tr3, и это еще больше снижает ток, снижая уровень обеспечиваемого тока.
Существует несколько уравнений, которые можно использовать для определения ключевых значений схемы для обеспечения требуемого максимального тока для линейного регулятора напряжения, а также уровня обратного тока при коротком замыкании.
Для максимального тока от линейного регулятора напряжения:
Imax=1R3((1+R1R2)VBE+R1R2Vreg)
Для тока короткого замыкания линейного регулятора напряжения:
МСК=1R3(1+R1R2)ВБ
Отношение максимального тока к току короткого замыкания:
ImaxISC=1+(R1R1+R2)VregVBE
Где:
I max = максимальный ток регулятора напряжения до ограничения тока
В BE = напряжение, при котором транзистор начинает открываться – обычно 0,6 В
В reg = выходное регулируемое напряжение
I SC = ток, обеспечиваемый при наличии короткого замыкания.
Ввиду того, что точка измерения регулятора находится после резистора измерения тока, любое падение напряжения на резисторе не повлияет на выходное напряжение схемы, поскольку оно будет компенсировано регулятором.
(Это предполагает, что на последовательном транзисторе имеется достаточное напряжение для его правильной регулировки.) Таким образом, токоизмерительный резистор не вызовет какого-либо снижения выходного напряжения схемы регулятора источника питания.
Схема ограничения тока источника питания может быть встроена в различные схемы с использованием транзисторов и полевых транзисторов в качестве элемента последовательного прохода. Операционные усилители могут использоваться в качестве дифференциальных усилителей для обеспечения необходимого опорного напряжения для устройств вывода.
Основная проблема с обратным ограничением тока заключается в том, что оно не всегда хорошо работает с нелинейными нагрузками. Например, если бы он управлял лампой накаливания, сопротивление которой в холодном состоянии намного ниже, чем в горячем, то регулятор напряжения с ограничителем тока увидел бы очень низкое сопротивление и вошел бы в обратный режим, не позволяя лампа нагрелась и завелась.
Индуктивные нагрузки могут столкнуться с аналогичными проблемами — двигатели и т. д. имеют большой пусковой ток. Это означает, что в большинстве случаев базовое токоограничение не подходит для этих типов нагрузки.
Ограничение тока является ключевой функцией всех блоков питания. Поскольку электронные устройства остаются включенными почти постоянно и часто остаются без присмотра, функции безопасности, такие как ограничение тока, необходимы в линейных источниках питания, а также в импульсных источниках питания.
К счастью, ограничение тока легко реализуемо и не требует включения многих дополнительных электронных компонентов, а если оно содержится в интегральной схеме, дополнительные затраты не заметны.
Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
схемы полевых транзисторов
Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем .
. .
Электропитание является основой любой электронной системы, а источник питания питает систему. Выбор правильного источника питания может быть критическим отличием между устройством, работающим на оптимальных уровнях, и устройством, которое может давать противоречивые результаты.
Помимо источников питания переменного тока (AC) в постоянный (DC), также доступны преобразователи постоянного тока в постоянный. Если в вашей системе уже имеется постоянный ток, преобразователь постоянного тока в постоянный может быть лучшим выбором, чем переменный ток, обсуждаемый ниже.
Источники питания постоянного тока бывают нерегулируемыми или регулируемыми. Регулируемые источники питания поставляются в нескольких вариантах, включая линейные, импульсные и аккумуляторные.
Источник питания берет переменный ток из настенной розетки, преобразует его в нерегулируемый постоянный ток и снижает напряжение с помощью входного силового трансформатора, обычно понижая его до напряжения, требуемого нагрузкой.
Из соображений безопасности трансформатор также отделяет выходное питание от сетевого входа.
Рисунок 1 , Рисунок 2 и Рисунок 3 иллюстрируют общее преобразование переменного тока в постоянный.
Переменный ток имеет форму синусоидальной волны, при этом напряжение меняется с положительного на отрицательное с течением времени.
Рис. 1. Переменный ток от настенной розетки
На первом этапе процесса напряжение выпрямляется с помощью набора диодов. Выпрямление преобразует синусоидальный переменный ток. Выпрямитель преобразует синусоидальные волны в серию положительных пиков.
Рис. 2: Полноволновое выпрямление
После выпрямления напряжения в форме волны все еще остаются колебания — время между пиками, — которые необходимо устранить. Затем выпрямленное переменное напряжение фильтруется или «сглаживается» конденсатором.
Конденсатор, как правило, довольно большой и создает резервуар энергии, которая подается на нагрузку при падении выпрямленного напряжения.
Входящая энергия накапливается в конденсаторе на переднем фронте и расходуется при падении напряжения. Это значительно уменьшает величину падения напряжения и сглаживает напряжение. Увеличение накопительной емкости конденсатора обычно приводит к более качественному источнику питания.
На рис. 3 показано выпрямленное напряжение и то, как конденсатор сглаживает падение напряжения.
Рис. 3: Двухполупериодный выпрямитель + конденсатор
После завершения преобразования напряжения в выходном сигнале остаются некоторые колебания, называемые пульсациями. В регулируемом источнике питания напряжение затем проходит через стабилизатор, чтобы создать фиксированный выход постоянного тока с меньшими пульсациями.
Источники питания переменного тока бывают двух видов: нерегулируемые и регулируемые. Нестабилизированный источник питания является самым основным типом источника питания и не может подавать постоянное напряжение на нагрузку, в то время как регулируемый источник питания имеет множество различных вариантов конструкции.
Линейные преобразователи наименее сложны, но также выделяют больше всего тепла, в то время как переключаемые преобразователи сложнее и холоднее, но создают больше шума. Аккумуляторы обычно представляют собой переключаемые преобразователи. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но какой из них использовать, зависит главным образом от типа приложения и условий, в которых оно будет выполняться.
Таблица 1 иллюстрирует классификацию типов блоков питания и обобщает многие плюсы и минусы каждого типа.
| НЕРЕГУЛИРУЕМЫЙ | РЕГУЛИРУЕМЫЙ | ||
|---|---|---|---|
Pro:
Con:
| Про:
Con:
| ||
| ЛИНЕЙНАЯ | ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ | АККУМУЛЯТОР | |
Про:
Con:
| Про:
Con:
| Про:
Con:
| |
Таблица 1: Типы источников питания
Переменный ток генерируется электронами, текущими в переменных направлениях.
Постоянный ток генерируется электронами, текущими только в одном направлении.
Переменный ток также называют сетевым электричеством, бытовым током, бытовым питанием, сетевым питанием или питанием от стены, потому что это напряжение, подаваемое через стенную розетку. Во всем мире переменное напряжение колеблется от 100 до 240 В. Скорость изменения направления обычно составляет от 50 до 60 раз в секунду и обозначается как Герц (Гц). Двумя наиболее распространенными частотами являются 50 Гц и 60 Гц.
Оборудование, предназначенное для работы на переменном токе, как правило, требует большого напряжения, поэтому напряжение понижается не так часто, как оборудование, работающее на постоянном токе.
Постоянный ток обеспечивает постоянную подачу тока к устройству. Поскольку изначально подается переменный ток, мощность сначала должна быть преобразована из переменного тока в постоянный.
Большинству небольших электронных устройств (таких как компьютеры) требуется постоянный ток для работы с преобразователем переменного тока в постоянный от сетевой розетки.
Переменный ток используется для оборудования с двигателями (например, холодильники). Какой тип тока использовать, зависит от питаемой нагрузки.
ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: ХОТЯ И ПЕРЕМЕННЫЙ, И ПОСТОЯННЫЙ ТОКИ МОГУТ ПОРАЖАТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОКА, ПОТОМУ ЧТО ТЕКУЩАЯ МОЩНОСТЬ НАМНОГО БОЛЬШЕ. УБЕДИТЕСЬ, ЧТО ВСЁ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПОДКЛЮЧАЕМОЕ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ИСПОЛЬЗУЕТ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ ЦЕПИ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ (GFCI).
Поскольку нестабилизированные источники питания не имеют встроенных стабилизаторов напряжения, они обычно предназначены для получения определенного напряжения при определенном максимальном выходном токе нагрузки. Обычно это настенные зарядные устройства, которые превращают переменный ток в небольшую струйку постоянного тока и часто используются для питания таких устройств, как бытовая электроника. Они являются наиболее распространенными адаптерами питания и получили прозвище «настенная бородавка».
Выходное напряжение постоянного тока зависит от внутреннего понижающего трансформатора напряжения и должно быть как можно ближе согласовано с током, требуемым нагрузкой. Обычно выходное напряжение будет уменьшаться по мере увеличения выходного тока на нагрузку.
При использовании нерегулируемого источника питания постоянного тока выходное напряжение зависит от размера нагрузки. Обычно он состоит из выпрямителя и сглаживающего конденсатора, но без регулирования для стабилизации напряжения. Он может иметь схемы безопасности и лучше всего подходит для приложений, не требующих точности.
Рис. 4. Блок-схема — нерегулируемый линейный источник питания
Преимущества нерегулируемых источников питания заключаются в том, что они долговечны и могут быть недорогими. Однако их лучше всего использовать, когда точность не требуется. Их остаточная пульсация аналогична показанной на рис. 3.
ПРИМЕЧАНИЕ. Компания Wavelength не рекомендует использовать нерегулируемые источники питания ни с одним из наших продуктов.
Регулируемый источник постоянного тока представляет собой нерегулируемый источник питания с добавлением регулятора напряжения. Это позволяет напряжению оставаться стабильным независимо от величины тока, потребляемого нагрузкой, при условии, что заданные пределы не превышены.
Рис. 5. Блок-схема — регулируемый источник питания
В регулируемых источниках питания схема постоянно отбирает часть выходного напряжения и регулирует систему, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом уровне. Во многих случаях для обеспечения ограничения тока или напряжения, фильтрации шумов и регулировки выходного сигнала включаются дополнительные схемы.
Существует три подгруппы регулируемых источников питания: линейные, импульсные и аккумуляторные. Из трех основных конструкций регулируемых источников питания линейная является наименее сложной системой, но у импульсного питания и питания от батареи есть свои преимущества.
Линейный источник питания
Линейные источники питания используются, когда наиболее важны точная регулировка и устранение помех. Хотя они не являются самым эффективным источником питания, они обеспечивают наилучшую производительность. Название происходит от того факта, что они не используют переключатель для регулирования выходного напряжения.
Линейные источники питания доступны уже много лет, и они широко используются и надежны. Они также относительно бесшумны и доступны в продаже. Недостатком линейных источников питания является то, что они требуют более крупных компонентов, следовательно, они больше и рассеивают больше тепла, чем импульсные источники питания. По сравнению с импульсными источниками питания и батареями они также менее эффективны, иногда демонстрируя КПД всего 50%.
Импульсный источник питания
Импульсные источники питания (SMPS) более сложны в конструкции, но имеют большую гибкость в отношении полярности и при правильной конструкции могут иметь КПД 80% и более.
Хотя в них больше компонентов, они меньше и дешевле, чем линейные источники питания.
Рис. 6. Блок-схема — регулируемый импульсный источник питания
Одним из преимуществ коммутируемого режима является то, что потери в коммутаторе меньше. Поскольку SMPS работают на более высоких частотах, они могут излучать шум и мешать другим цепям. Должны быть приняты меры по подавлению помех, такие как экранирование и соблюдение протоколов компоновки.
Преимущество импульсных источников питания заключается в том, что они, как правило, небольшие и легкие, имеют широкий диапазон входного напряжения и более высокий диапазон выходного напряжения, а также гораздо более эффективны, чем линейные источники питания. Однако SMPS имеет сложную схему, может загрязнять сеть переменного тока, более шумен и работает на высоких частотах, требующих подавления помех.
Аккумуляторный
Аккумуляторный источник питания представляет собой третий тип источника питания и, по сути, является мобильным накопителем энергии.
Питание от батарей 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 способом питания оборудования. Большинству аккумуляторов трудно подобрать правильное напряжение для нагрузки. Использование аккумулятора, рассеиваемая внутренняя мощность которого может превышать мощность драйвера или контроллера, может привести к повреждению устройства.
Наряду с приведенными выше соображениями, источник питания должен работать при меньшем максимальном номинальном выходном токе.
Нагрузки, потребляющие больше тока, чем рассчитано на адаптер, могут привести к непостоянным результатам или неисправности устройства. Перегрузка преобразователя может привести к перегреву и, в конечном итоге, к выходу из строя, что потенциально может привести к пожару или повреждению самой нагрузки.
Хотя все характеристики блоков питания важны, некоторые из них более важны, чем другие. Несколько замечаний:
Выходной ток: Максимальный ток, который может подаваться на нагрузку.
Регулирование нагрузки: Регулирование нагрузки показывает, насколько хорошо регулятор может поддерживать свою выходную мощность 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 измерения даются в размахе, показывая степень шумовых пиков, возникающих при переключении.
Защита от перенапряжения: Иногда выходное напряжение может превышать номинальные значения и может повредить нагрузку. Защита от перенапряжения представляет собой схему, которая отключает источник питания в случае превышения предельных значений напряжения.
Защита от перегрузки : Защита от перегрузки — это мера безопасности, используемая для предотвращения повреждений в случае короткого замыкания или перегрузки по току. Как и автоматический выключатель в доме, защита от перегрузки отключает подачу питания, чтобы нагрузка не была повреждена.
Эффективность : Эффективность — это соотношение мощности, получаемой из энергосистемы, которая эффективно преобразуется в мощность постоянного тока. Хороший источник питания SMPS будет работать с КПД не менее 80%, а при правильном проектировании системы может работать даже с более высокой скоростью.
Эффективная система уменьшит тепловыделение и может сэкономить энергию.
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, представленную в размахе напряжения, показывающую степень шумовых всплесков, возникающих при переключении, которые могут негативно повлиять на чувствительные приборы.
Небольшие колебания напряжения называются пульсациями. Во многих случаях количество колебаний зависит от того, насколько хорошо источник питания соответствует нагрузке.
Шум — это нежелательные дополнения, возникающие за пределами обычной пульсации. Он исходит от многих других источников, включая коммутационные и электронные помехи, создаваемые вне источника питания, например, от расположенной поблизости электроники. Шум обычно возникает в сочетании с пульсацией и гораздо более изменчив и непредсказуем.
Шум переключения обычно возникает на очень высоких частотах.
На рис. 7 показан пример шума (созданного при переключении) и пульсаций в источнике питания среднего качества.
Рис. 7. Пульсации и шум для регулируемой, коммутируемой мощности, типичный источник питания среднего качества
Рис. 8 иллюстрирует шумовой потенциал регулируемого линейного источника питания. Несмотря на то, что пульсации регулируемого импульсного источника питания намного меньше, они все же могут быть достаточно значительными, чтобы маскировать данные. Если шум и пульсации очень высоки, слабые сигналы могут быть подавлены или срок службы оборудования может значительно сократиться. Однако при качественном блоке питания его можно практически исключить.
Рис. 8. Пульсации и шум регулируемой линейной мощности, типичный источник питания среднего качества
Используйте калькулятор безопасной рабочей зоны (SOA) для контроллера, чтобы определить, совместимы ли нагрузка и напряжение питания.
Например, используя Таблицу 2, в которой показаны некоторые стандартные сечения и грузоподъемность для сплошного провода, для нагрузки 2 А потребуется провод 20 калибра, а не 22 калибра. Это связано с тем, что провод 20 калибра допускает 3,2 Ток, который превышает требование 2 А.| ДАТЧИК AWG | ДИАМЕТР (дюймы) | ДОПУСТИМЫЙ ТОК (А) | СОПРОТИВЛЕНИЕ на 1000 кв. футов (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 |
| 26 | 0,016 | 0,80 | 40,81 |
| 28 | 0,013 | 0,53 | 64,90 |
| 30 | 0,010 | 0,31 | 103,2 |
ПРИМЕЧАНИЕ: сопротивление измеряется при 20°:C.
Таблица 2: Американский калибр проводов (AWG) для одножильных проводов
На заре распределения электроэнергии стандартным током в Европе был переменный ток (AC), а в США — постоянный ток (DC). ). Основной электрической нагрузкой была лампочка, которая была разработана Томасом А. Эдисоном для использования постоянного тока. Раннее соперничество между тем, какая система распределения электроэнергии будет доминировать на рынке в США, называлось «Война токов» и обычно олицетворялось как конфликт между изобретателем Эдисоном (Con Edison/General Electric) и предпринимателем Джорджем Вестингаузом (Westinghouse Electric), который инвестировал в технология переменного тока как метод распределения электроэнергии.
Конфликт был на самом деле гораздо масштабнее, поскольку американские и европейские компании были лично заинтересованы в упадке того или иного типа.
Недостатком переменного тока в то время было то, что нагрузка на систему влияла при включении и выключении приборов, влияя на другие, использующие линию. Преимущество постоянного тока заключалось в том, что он использовал только необходимый ток и не влиял на остальную нагрузку на линии.
К сожалению для сторонников постоянного тока, падение напряжения на проводах от источника к выходу было значительным, и разные напряжения не могли передаваться по одним и тем же проводам. Это означало, что для генерации постоянного тока требовалось, чтобы электростанции располагались примерно в нескольких милях от пункта назначения, и для каждого необходимого напряжения было протянуто несколько проводов, что было непомерно дорого для сельских общин. Еще одним недостатком было то, что постоянный ток был действительно применим только для небольших приборов, поскольку низкие напряжения были слишком неэффективными, чтобы их можно было масштабировать для технологий, требующих больших напряжений.