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.

SMPS включают защиту: ограничение тока, схему «краубар» для подавления перенапряжений^[2].

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.

Некоторые SMPS имеют минимальный обязательный ток нагрузки^[3]. При отсутствии потребления частота ключа резко возрастает, что может вывести трансформатор в режим катушки Тесла, приводя к повреждению БП. Для запуска без реальной нагрузки иногда используют фиктивную нагрузку — маломощный резистор или лампу.

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.

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).

Передний и задний вид источника бесперебойного питания

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».

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^[4]. В режиме аналогового низкоуровневого управления работает как мощный операционный усилитель с непрерывными переходами через нуль. Такой тип источников распространён в научных магнитных установках.

Выбор источника питания для конкретной задачи определяется его характеристиками, которые отражаются в документации:

• Тип и диапазон входного напряжения (AC или DC)
• Эффективность преобразования
• Максимальное выходное напряжение и ток
• Стабильность параметров при варьировании входа/нагрузки
• Время автономной работы (актуально для переносных источников)
• Диапазон рабочих/хранения температур

Обычные аббревиатуры:

• SCP — защита от короткого замыкания
• OPP — защита от перегрузки
• OCP — защита от сверхтока
• OTP — защита от перегрева
• OVP — защита от перенапряжения
• UVP — защита от пониженного напряжения

В источнике питания преобразование электроэнергии происходит с потерями. Данные потери выделяются в виде тепла; чем выше эффективность — тем его меньше. Для отвода тепла применяют методы конвективного и кондуктивного охлаждения: естественная/принудительная вентиляция либо охлаждающая жидкость; радиаторы, термопрокладки, теплоотводящие пластины.

Вторичные источники питания обязательно оснащаются защитой от короткого замыкания и перегрузки, чтобы предотвратить повреждение и пожар. Используются предохранители и автоматы^[5].

Предохранитель — хрупкая проволока, расплавляющаяся при чрезмерном токе, размыкая цепь; восстановление — после устранения причины и замены. Иногда используется тонкая припаянная проволока внутри блока. Для бытовой техники — иногда невосстанавливаемые.

Автомат нагревается, изгибает элемент, срабатывает пружина, отключая питание; после устранения проблемы автомат возвращается в исходное состояние.

Некоторые БП вместо классического предохранителя имеют термопредохранитель, встроенный в трансформатор: это позволяет временно потреблять максимальный ток сверх номинала. Различают восстановимые и невосстанавливаемые термопредохранители.

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.

Вторичные источники питания — основа многих электронных устройств, применяются в широчайшем спектре задач. Примеры применений:

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.

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.