Вторичный источник электропитания

Вторичные источники питания классифицируются по различным функциональным признакам. Так, стабилизированный источник сохраняет постоянное выходное напряжение или ток при колебаниях нагрузки или входного напряжения, а нестабилизированный допускает значимые изменения этих параметров. Регулируемые источники позволяют программно задавать выходные параметры (например, с помощью ручек на передней панели или сигнала управления). Регулируемый стабилизированный источник совмещает оба качества. Изолированный источник не имеет электрической связи между входом и выходом; для не изолированных используется общая точка.

По способу исполнения различают настольные («бенчевые») самостоятельные блоки; открытые источники имеют лишь частичное механическое ограждение (обычно для встраивания в аппаратуру); стоечные монтируются в стандартную стойку. Интегрированные источники располагаются на одной плате с нагрузкой. Внешний адаптер (иногда адаптер переменного тока или сетевой блок питания) — устройство на кабеле, подключаемое к розетке; сетевой адаптер-«кирпич» представляет собой компактный внешний блок в едином корпусе с розеточной вилкой. Подобное исполнение характерно для бытовой электроники — оно безопаснее (опасное напряжение 120/240 В понижается до безопасного уровня вне корпуса техники).

Выделяют линейные и импульсные источники. В линейных устройствах преобразование происходит непосредственно, активные компоненты работают в линейных режимах. В импульсных (ключевых) — вход переводится в цепь высокочастотных импульсов, ключевые элементы проводят время в режимах насыщения/отсечки. Поскольку потери (тепловые) характерны именно для линейной работы, импульсные источники, как правило, эффективнее.

Источники питания типа AC-to-DC работают от входного напряжения переменного тока, на выходе формируя постоянное напряжение. В зависимости от применения, выход может содержать вредные или несущественные пульсации, связанные с частотой входной сети и принципом работы схемы. Источник питания DC-to-DC преобразует одно постоянное напряжение в другое. Далее рассмотрены главным образом схемы AC-to-DC.

В такой схеме переменное напряжение поступает на трансформатор, далее выпрямитель и фильтр формируют постоянное напряжение. Фильтрация уменьшает пульсации, возникающие из-за сети, и может быть реализована от простого конденсатора до сложного pi-фильтра. Допустимый уровень пульсаций зависит от нагрузки и условий применения (например, для заряда батарей достаточно трансформатора и диода с балластным резистором).

В импульсных схемах (SMPS) переменное входное напряжение выпрямляется и фильтруется, образуя постоянное. Далее электронный ключ (на транзисторах) преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный, который подаётся на трансформатор/индуктор. Высокая рабочая частота (10 кГц — 1 МГц) позволяет уменьшить размеры и стоимость ключевых трансформаторов и фильтров. После вторичной обмотки и фильтрации формируется выходное постоянное напряжение. Если используется надлежащая гальваническая развязка, нагрузка изолируется от сети.

Современные импульсные источники питания обычно стабилизированы, контроллер поддерживает заданные параметры за счёт обратной связи — с увеличением нагрузки увеличивается скважность ключа.

Для минимизации коммутационных потерь в мощных импульсных источниках питания применяются резонансные топологии (такие как LLC и PSFB). Использование планарных трансформаторов позволяет уменьшить габариты устройств до 60 %^[2]. Благодаря этим технологиям современные серверные блоки питания достигают плотности мощности около 32 Вт/дюйм³^[3].

SMPS включают защиту: ограничение тока, схему «краубар» для подавления перенапряжений.

При обнаружении чрезмерного энергопотребления блок рассматривает ситуацию как КЗ и отключается до устранения причины. В компьютерных БП предусмотрен сигнал power good (готовность), отсутствие которого блокирует дальнейший запуск системной платы при аномальных напряжениях.

Ранее некоторые SMPS требовали минимального обязательного тока нагрузки для предотвращения повреждений при работе на холостом ходу. В современных контроллерах применяются встроенные механизмы (пропуск импульсов PSM, пакетный режим Burst Mode, частотно-импульсная модуляция), обеспечивающие безопасную работу без нагрузки и исключающие необходимость использования внешних фиктивных нагрузок (резисторов).

Импульсные БП ранее отличались низким коэффициентом мощности и высоким уровнем помех (гармоники/транзиенты в сети), искажающих форму синуса и нагружающих сеть. Для устранения проблем применяются коррекция КМ и фильтры. Помимо традиционных пассивных фильтров, в современных устройствах используются активные EMI-фильтры (AEF), позволяющие уменьшить занимаемый объём в 8—32 раза.

В бестрансформаторной схеме напряжение сети снижается за счёт реактивного сопротивления конденсатора. Далее пониженном напряжение выпрямляется, фильтруется и при необходимости стабилизируется.

Нет гальванической развязки от сети! Всё, что подключается к такому источнику, должно быть надёжно изолировано.

Конденсатор выбирается по рабочему напряжению и допустимому току. Область применения — маломощные схемы.

Линейный стабилизатор — узел преобразования неустойчивого постоянного напряжения в стабильное (часто понижающее преобразование), обычно с функцией ограничения по току. Использование необходимо там, где стабильность напряжения критична, а поставляемая энергия может колебаться (по входному напряжению/импедансу нагрузки). Дополнительный плюс — подавление пульсаций и шумов.

Источники питания переменного тока обычно используют сетевое напряжение и понижают или повышают его при помощи трансформаторов, иногда фильтруя его. Когда входное и выходное напряжение совпадают, а задача только изолировать нагрузку, используется трансформатор изоляции. Автотрансформатор (авариак) не изолирует, но может регулировать выход. В некоторых случаях источники переменного тока выдают почти постоянный ток при переменном напряжении — напряжение определяется нагрузкой.

При необходимости автономного питания (например, от батареи) используют инвертор и повышающий трансформатор для генерации переменного тока. Переносные генераторы (на базе ДВС) также являются подобными источниками — питание подаётся через регулятор. Если главная задача — фильтрация и поддержание качества энергии, устройство называется линейный кондиционер. Если предназначено для резервирования — источник бесперебойного питания.

Устройства усиления переменного тока (например, умножитель напряжения) используются для прямого повышения сетевого напряжения (раньше — в ламповых приёмниках). Современные источники переменного тока можно разделить на однофазные и трёхфазные. Также используются для генерации произвольных частот/напряжений при тестировании международных стандартов (например, 230 В 50 Гц, 115 В 60 Гц, 400 Гц для авионики).

Сетевой адаптер — блок, объединённый с вилкой, питается от сети переменного тока. Имеет и другие названия: сетевой блок, питатель, адаптер-«брик», сетевой адаптер. Обычно имеют один вывод с постоянным или переменным напряжением; универсальные варианты — со сменными входными вилками.

Адаптер может быть на пассивном трансформаторе (±диоды для выпрямления) или работать по импульсной схеме. Адаптеры потребляют энергию даже без нагрузки («энергетические вампиры») и могут объединяться с сетевым фильтром для отключения.

Программируемый источник питания — устройство, управление и мониторинг которого осуществляется по внешнему аналоговому сигналу или через цифровой интерфейс (RS-232, GPIB и др). Управляемые параметры: напряжение, ток, иногда частота (для AC). Используются в автоматизированных испытаниях, мониторинге кристаллов, производстве полупроводников и рентгеногенераторах.

Встроенные микроконтроллеры обеспечивают точный контроль/мониторинг. В коммуникациях могут использоваться как фирменные, так и стандартные протоколы (например, SCPI).

Источник бесперебойного питания (ИБП) использует одновременно две (или более) независимые схемы питания, обычно от сети и аккумулятора. При сбое сети нагрузка автоматически переключается на аккумулятор, исключая перерывы питания (скорость переключения сравнима со скоростью электрического импульса в проводнике). При критичных применения (протокол индустрии определяет выдержку ~4 мс; для сверхбыстрого переключения, например, при обработке данных, и этого недостаточно — требуется «истинный» ИБП). Продолжительность работы зависит от ёмкости аккумуляторов и наличия резервного генератора, от минут до дней; часто временной запас нужен только для корректного завершения работы (серверные, дата-центры). В больницах, центрах обработки, телефонных станциях применяются схемы с генератором, а аккумулятор держит питание на время выхода генератора «на линию».

Существуют три основные топологии ИБП: резервные (Off-line) со временем переключения 2—20 мс и КПД 95—99 %, линейно-интерактивные (Line-Interactive) со временем переключения 2—10 мс и КПД 92—99 %, а также онлайн-ИБП с двойным преобразованием (Double Conversion), обеспечивающие нулевое время переключения при КПД 88—96 %^[4][5].

В современных системах происходит переход от традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов к литий-ионным и натрий-ионным. Новые типы батарей обладают значительно большей плотностью энергии и увеличенным сроком службы (до 8—15 лет и тысяч циклов заряда-разряда по сравнению с 3—6 годами у свинцово-кислотных аналогов)^[6][7].

Для дата-центров широко применяются модульные ИБП, которые обеспечивают масштабируемость системы, отказоустойчивость за счёт резервирования по схеме N+1 и возможность «горячей замены» силовых модулей без прерывания питания критической нагрузки^[8][9].

Развитие технологий привело к появлению сетевых интерактивных ИБП (GiUPS), способных участвовать в управлении спросом и отдавать накопленную энергию обратно в электросеть для поддержания её стабильности^[10][11].

Источник питания высокого напряжения — устройство, формирующее сотни-тысячи вольт. Использует специальные разъёмы (например, Federal Standard — выше 20 кВ, SHV — для более низких). Некоторые модели обеспечивают цифровое/аналоговое управление выходом. В научной аппаратуре применяются для ускорения/управления электронными либо ионными пучками, в рентгеновских, электронных, ионных колоннах, а также в электрофорезе и электростатике.

В схеме используется инвертор мощности с далее стоящим умножителем или высоковольтным трансформатором (или их комбинация). Выход высокого напряжения также выводится на встроенный делитель напряжения — сигнал поступает в систему обратной связи (для регулировки) или на внешние устройства (для контроля).

Биполярный источник питания способен работать во всех четырёх квадрантах декартовой плоскости «напряжение-ток», то есть формировать положительное и отрицательное напряжение/ток в зависимости от режима управления. В режиме аналогового низкоуровневого управления работает как мощный операционный усилитель с непрерывными переходами через нуль. Такой тип источников распространён в научных магнитных установках.

В некоторых схемах вместо отключения используется ограничение тока (электронное или импедансное): первое — для лабораторных блоков, второе — для маломощных (до 3 Вт).

Схема foldback ограничивает ток значительно ниже максимума в аварийном режиме.

Блоки питания современных ПК — это импульсные преобразователи, обеспечивающие преобразование сети в несколько постоянных напряжений. Импульсные схемы вытеснили линейные благодаря экономичности, компактности и эффективности. Для разных узлов ПК требуются различные токи/напряжения.

Для серверов с ИИ-ускорителями стандартом стала архитектура распределённого питания на базе шины 48 В (48V → 12V → PoL), обеспечивающая стабильную работу при сверхвысокой плотности тока и резких скачках нагрузки^[15].

Электромобили используют источник питания для преобразования высокого напряжения аккумулятора в необходимое для узлов и исполнительных систем транспортного средства.

Дуговая сварка требует подачи значительных высоких токов (100—350 ампер; точечная сварка — до 60 000 А кратковременно). Источником может выступать трансформатор, электромеханогенератор или современный полупроводниковый/микропроцессорный преобразователь.

Системы авионики питаются от источников AC/DC или DC/DC, часто на частоте 400 Гц (важно для уменьшения массы аппаратуры).

Конвейеры, сборочные линии, считыватели штрих-кодов, камеры, моторы, насосы, автоматизация производства и др.

Аппараты ИВЛ, насосы, хирургические и стоматологические приборы, диагностические системы, медицинские кровати и др.

Технологии энергохарвестинга (сбора энергии из внешней среды) применяются для питания автономных датчиков в промышленном интернете вещей (IoT) и агротехнологиях^[16][17]. Для обеспечения работы устройств используются различные источники энергии:

• Световая энергия (фотоэлектрический эффект) применяется для работы датчиков влажности почвы и температуры в теплицах, а также складских датчиков присутствия и мониторинга окружающей среды в помещениях^[18][19].
• Тепловая энергия (термоэлектрические генераторы) используется для датчиков мониторинга состояния промышленного оборудования (компрессоров, насосов, горячих труб) и структурной деформации инфраструктуры^[17][16].
• Механическая энергия (вибрация, пьезоэлектрики) обеспечивает работу датчиков на конвейерных двигателях, сельскохозяйственной технике, подземных сенсоров и мониторов потока в трубопроводах^[17][18].
• Радиочастотные сигналы применяются для питания датчиков и маяков с ультранизким рабочим циклом в зонах с плотной беспроводной инфраструктурой^[16][19].

Вторичные источники электропитания интегрируются с системами накопления энергии (BESS) для выполнения ряда ключевых задач. В возобновляемой энергетике (солнечные и ветровые установки) они компенсируют прерывистость генерации, накапливая избыточную энергию и отдавая её при снижении выработки. Также они применяются для сглаживания пиковых нагрузок (peak shaving), накапливая энергию в периоды низкого спроса и разряжаясь во время пикового потребления. Кроме того, системы BESS используются для регулирования частоты путём быстрой корректировки выходной мощности и обеспечения вращающегося резерва (spinning reserve) для немедленной подачи мощности при резких скачках спроса или аварийных отключениях.

В концепции «умного города» LED-драйверы применяются в системах адаптивного уличного освещения. Современные устройства оснащаются встроенными радиомодулями для интеграции функций беспроводного управления и мониторинга состояния сети с использованием таких протоколов связи, как LoRaWAN и Zigbee^[20].^[21]