Як працюють блоки живлення

Сем Саттель

Блоки живлення становлять основу для всіх наших електронних пристроїв і забезпечують послідовний потік шаблонів там, де це найбільше потрібно. У сучасній сучасній електроніці, як комп’ютери та інші чутливі до даних пристрої, потужність повинна працювати бездоганно, і одна помилка може означати втрату роботи та даних. Але, будучи електронними дизайнерами, ми, як правило, залишаємо свої міркування щодо джерела живлення як попередню думку, часто хапаючись за заздалегідь зроблений схематичний блок, який, як нам відомо, вже працює. Врешті-решт, ми просто хочемо отримати вихід на 5 В, так? Виявляється, під капотом відбувається набагато більше.

Блоки живлення від 10000 футів

Більшість джерел живлення буде приймати живлення від мережі змінного струму та перетворювати його в корисний постійний струм для використання в електронних пристроях. Під час цього процесу блок живлення виконує ряд ролей, включаючи:

Перетворення змінного струму від електромережі в постійний постійний струм
Запобігання перешкодам змінного струму на виході постійного струму
Підтримання вихідних напруг на постійному рівні незалежно від зміни вхідних напруг

Щоб здійснити все це перетворення, типовий блок живлення буде використовувати кілька загальних компонентів, включаючи трансформатор, випрямляч, фільтр та регулятор.

Процес перетворення змінного та постійного струму починається із змінного струму, який виникає у розетці у вигляді синусоїдальної хвилі. Ця форма сигналу змінного струму коливається між негативною та позитивною напругою до шістдесяти разів на секунду.

Синусоїдальна форма змінного струму. (Джерело зображення)

Напруга змінного струму спочатку знижується за допомогою трансформатора, щоб задовольнити вимоги до напруги навантаження на джерело живлення. Після зниження напруги випрямляч перетворює синусоїдальну форму змінного струму на набір позитивних жолобів та гребенів.

Випрямлення видаляє негативну сторону сигналу змінного струму, залишаючи лише позитивний вихід. (Джерело зображення)

На даний момент у формі хвилі змінного струму все ще є коливання, тому фільтр використовується для згладжування змінної напруги в придатне для використання джерело постійного струму.

Застосування фільтра з резервуарним конденсатором видаляє агресивні гребені та жолоби нашої форми хвилі. (Джерело зображення)

Тепер, коли змінний струм перетворений на придатний для постійного струму, деякі джерела живлення надалі видалятимуть пульсації сигналу за допомогою регулятора. Цей регулятор забезпечить стабільний вихід постійного струму незалежно від змін, що відбуваються з вхідною змінною напругою.

Це процес з першого погляду. Незалежно від того, на яке джерело живлення ви дивитесь, воно завжди матиме принаймні три основні компоненти - трансформатор, випрямляч та фільтр. Регулятори можуть використовуватися або не застосовуватися залежно від того, чи нерегульоване чи регульоване джерело живлення (про це далі).

Детально компоненти блоку живлення

Трансформатор

Як перша лінія захисту, трансформатор має намір знизити вхідний струм змінного струму від мережі живлення до рівня напруги, з яким може справлятися навантаження електроживлення. Трансформатори також можуть збільшити напругу, але в цій статті ми зупинимося на тих, які знижують напругу для низьковольтних електронних пристроїв постійного струму.

Усередині трансформатора є дві обмотки котушки, обидві фізично відокремлені одна від одної. Перша обмотка приймає змінний струм від мережі, а потім електромагнітно з'єднується з другою обмоткою, щоб провести необхідну напругу змінного струму у вторинній обмотці. Зберігаючи ці дві обмотки фізично окремо, трансформатор може ізолювати мережеву напругу змінного струму від досягнення виходу ланцюга живлення.

Дві фізично розділені котушки в трансформаторі проводяться через електромагнітну зв'язок. (Джерело зображення)

Випрямляч

Після того, як змінний струм відступив від трансформатора, випрямлячем стає завдання перетворити форму сигналу змінного струму у вихідний формат постійного струму. Це досягається одним або набором діодів у конфігурації Half Wave, Full Wave або Bridge Rectification.

Виправлення напівхвилі

У цій конфігурації для виведення постійної напруги з половини циклу форми змінного струму використовується один випрямний діод. Це залишає в блоці живлення половину вихідної напруги, яку він отримував би від повної форми сигналу змінного струму при Vpk x 0,318. Half Wave - це найдешевша в конструкції конфігурація, ідеально підходить для невибагливих потреб в енергії, і, як правило, найбільша кількість пульсацій залишатиметься на вихідній напрузі.

Випрямлення напівхвилі в ланцюзі та вихідна форма сигналу. (Джерело зображення)

Повна хвиля випрямлення

У цій конфігурації два випрямних діода використовуються для виділення двох півциклів вхідної форми змінного струму. Цей процес забезпечить подвійну вихідну напругу напівхвильового випрямлення при Vpk x 0,637. Незважаючи на те, що ця конфігурація дорожча у порівнянні з Half Wave, оскільки для неї потрібен трансформатор із центральним відводом, вона має додаткову перевагу покращеного згладжування пульсацій змінного струму.

Повне хвильове випрямлення в ланцюзі та вихідна форма сигналу. (Джерело зображення)

Виправлення мосту

Ця конфігурація використовує чотири діоди, розміщені в мосту, для досягнення повного хвильового випрямлення без необхідності централізованого трансформатора. Це забезпечить таку ж вихідну напругу, як і Повна хвиля при Vpk x 0,637, для діодів, яким потрібна лише половина зворотної напруги пробою. Під час кожного напівцикла проводять два протилежні діоди, що забезпечує повну форму сигналу змінного струму в кінці повного циклу.

Випрямлення мосту в ланцюзі та вихідна форма сигналу, така ж, як Full Wave. (Джерело зображення)

Фільтр

Тепер, коли ми перетворили напругу змінного струму, робота фільтра видаляє всі пульсації змінного струму у вихідній напрузі, залишаючи плавну напругу постійного струму. Навіщо усувати брижі? Якщо вони потрапляють на вихід джерела живлення, вони можуть пошкодити навантаження і потенційно зруйнувати всю вашу ланцюг. У фільтрах використовуються два основні компоненти - резервуарний конденсатор і фільтр низьких частот.

Конденсатор пласта

Електролітичний конденсатор великої ємності використовується для тимчасового збереження вихідного струму, що подається випрямним діодом. Зарядившись, цей конденсатор зможе забезпечити вихідний струм постійного струму під час розривів у часі, коли діод випрямляча не проводить. Це дозволяє блоку живлення підтримувати стабільний вихід постійного струму протягом усіх циклів увімкнення/вимкнення джерела живлення.

Тут ви можете побачити різницю у вихідному сигналі з кришкою пласта та без неї. (Джерело зображення)

Фільтр низьких частот

Ви можете створити ланцюг живлення лише з резервуарним конденсатором, але додавання фільтра низьких частот додатково видаляє пульсації змінного струму, які проходять через конденсатор резервуара. У більшості основних джерел живлення ви не знайдете фільтрів низьких частот, оскільки вони вимагають дорогих ламінованих або тороїдальних котушок. Однак у сучасній електроніці з блоками перемикального режиму ви знайдете фільтри низьких частот, які використовуються для видалення пульсацій змінного струму на більш високих частотах.

Додавши разом резервуарний конденсатор і фільтр низьких частот у ланцюг живлення, ви зможете видалити 95% + пульсацій змінного струму. Це дозволить вам підтримувати стабільну та чисту вихідну напругу, яка відповідає піку вихідної вхідної хвилі змінного струму.

Регулятор

У регульованих джерелах живлення буде додано регулятор для подальшого згладжування напруги постійного струму та забезпечення стабільного виходу незалежно від коливань вхідних рівнів. Завдяки цьому вдосконаленому регулюванню також виникає додаткова складність та вартість харчування ланцюга. Ви знайдете регулятори у двох різних конфігураціях, як регулятор шунтів, так і серійний регулятор.

Шунтовий регулятор

У цій конфігурації регулятор підключається паралельно навантаженню, що забезпечує постійне протікання струму через регулятор до удару по навантаженню. Якщо струм навантаження збільшується або зменшується, регулятор шунту або зменшить, або збільшить свій струм, щоб підтримувати стабільну напругу живлення та струм.

Шунтові регулятори підключені паралельно навантаженню. (Джерело зображення)

Серія Регулятор

У цій конфігурації послідовний регулятор підключений послідовно з навантаженням, що забезпечує змінний опір. Цей регулятор постійно відбирає напругу вхідного навантаження за допомогою системи негативного зворотного зв'язку. Якщо зразок напруги підвищується або падає, то послідовний регулятор або знизить, або підвищить свій опір, дозволяючи більшому або меншому струму протікати через навантаження.

Серійні регулятори додають змінний опір керуючому струму. (Джерело зображення)

Види джерел живлення

Типові джерела живлення змінного струму постійного струму будуть використовувати в своїх схемах деякі або всі перераховані вище компоненти як нерегульоване або регульоване джерело живлення. Який тип джерела живлення ви використовуєте у своєму електронічному проекті, зводиться до унікальних вимог вашого дизайну.

Нерегульовані блоки живлення

Ці джерела живлення не мають регулятора напруги, і вони видаватимуть задану напругу лише при максимальному вихідному струмі. Тут вихідна напруга постійного струму пов'язана з внутрішнім трансформатором напруги, і вихідна напруга буде збільшуватися або зменшуватися залежно від поточного виходу навантаження. Ці джерела живлення відомі як довговічні та недорогі, але не забезпечують достатньої точності для енергочутливих електронних пристроїв.

Нерегульовані блоки живлення містять усі загальні компоненти, крім регулятора.

Регульовані блоки живлення

Регульовані джерела живлення включають усі основні компоненти, що містяться в нерегульованому блоці живлення з додаванням регулятора напруги. Існує три конфігурації джерела живлення регулятора:

Лінійне джерело живлення . Ця конфігурація використовує напівпровідниковий транзистор або полевий транзистор для управління вихідними напругами в межах певного діапазону. Хоча ці джерела живлення не є найефективнішими і генерують багато тепла, вони відомі своєю надійністю, мінімальним електричним шумом та широкою комерційною доступністю.

Типова лінійна схема живлення. (Джерело зображення)

Перемикач режиму живлення . Ця конфігурація використовує напівпровідниковий транзистор або полевий транзистор, який вмикається/вимикається для подачі напруги на вихідний конденсатор резервуара. Режими перемикання, як правило, менші та легші за лінійні джерела живлення, пропонують високий діапазон потужності та ефективніші. Однак вони вимагають складних схем, генерують більше шуму та вимагають пом'якшення перешкод для своїх високочастотних операцій.

Тут ми можемо побачити додаткову складність у схемі комутаційного режиму. (Джерело зображення)

Блок живлення акумулятора . Ця конфігурація діє як накопичувач енергії і забезпечить постійний потік постійного струму до електронного пристрою. Порівняно з лінійним та імпульсним джерелами живлення, батареї є найменш ефективним методом живлення пристроїв, а також їх важко підібрати з правильною напругою в навантаженні. Однак перевага акумуляторів полягає у забезпеченні джерелом живлення, коли мережа змінного струму відсутня та не створює електричних шумів.

Розглядаючи, яке джерело живлення використовувати для наступного проекту з електроніки, ось такі переваги та недоліки для нерегульованих та регульованих джерел живлення:

Проста схема
Надійний та економічний

Постійна напруга
Вища якість
Покращена фільтрація шуму
Регульована вихідна напруга/струм

Вирішуючи питання між лінійним джерелом живлення, режимом перемикання або регульованим акумулятором, враховуйте наступне:

Стійкий і надійний
Менше електричного шуму
Хороше регулювання лінії та навантаження

Невеликий розмір і легший
Широкий діапазон вхідної напруги
Висока ефективність
Менш дорогий в порівнянні з лінійним

Не вимагає доступу до мережі змінного струму
Портативне джерело живлення

Технічні характеристики джерела живлення, про які слід знати

Вибираючи готову схему живлення, а не розробляючи власну, є кілька специфікацій, про які слід знати. До них належать:

Вихідний струм . Це максимальний струм, який БП може подавати на навантаження.
Регулятор навантаження . Це визначає, наскільки добре регулятор може підтримувати стабільний вихід із зміною струму навантаження, як правило, вимірюється в мілівольтах (мВ) або максимальній вихідній напрузі.
Шум і пульсація . Вони вимірюють небажані електронні перешкоди та зміни напруги від перетворення змінного та постійного струму, як правило, вимірюються в піковій-піковій напрузі для імпульсних джерел живлення.
Захист від перевантаження . Це функція безпеки, яка відключає електроживлення в разі короткого замикання або перевантаження струмом.
Ефективність . Це відношення потужності, перетвореної з мережі змінного струму на постійне. Високоефективні системи, такі як імпульсні джерела живлення, можуть досягти 80% ефективності та зменшити тепло і заощадити енергію.

Послідовне перетворення

Блоки живлення забезпечують стабільну основу живлення на всіх наших електронних пристроях, будь то ваш комп’ютер, смартфон чи телевізор, список можна продовжувати. Незалежно від того, який тип джерела живлення ви використовуєте або розробляєте, всі вони містять кілька основних компонентів для перетворення мережі змінного струму в постійний постійний струм (постійний струм). Трансформатор спочатку знижує напругу, яка потім виправляється у вихідний формат постійного струму. Потім це фільтрується і регулюється, щоб забезпечити плавну постійну напругу для постійного виходу. Розробляючи власну схему живлення, сподівайтесь використовувати ці первинні компоненти разом з унікальними характеристиками потужності для вашої конструкції, щоб забезпечити стабільну вихідну потужність постійного струму в усі години доби.

Вам потрібен роз’єм живлення для вашого майбутнього проекту з електроніки? Ми охопили вас безліччю безкоштовних бібліотек! Спробуйте Autodesk EAGLE безкоштовно вже сьогодні!