Ця стаття загальний екскурс в первинні і вторинні джерела живлення. У ній я розповім про те, що таке джерела живлення, їх види і які вони бувають. Розглянемо подробиці типових блоків з яких складається стандартне джерело живлення і розглянемо основні характеристики блоків живлення.
Всі джерела можна можна спрощено розділити на такі різновиди:
Джерела первинного харчування і їх види
До них відносяться всілякі перетворювачі неелектричних видів енергії в електричну. Їх можна умовно класифікувати на такі види: Атомні батареї; Хімічні джерела; Сонячні батареї; Термогенератор; Паливні елементи; Електричні машини постійного і змінного струму (генератори).
Хімічні джерела живлення: до них відносяться сухі гальванічні елементи, кислотні та лужні акумулятори. Найбільшого поширення серед них отримали кислотні акумуляторні і літієві батареї.
Сонячні батареї їх принцип роботи базується на вентильному фотоефекті в напівпровідниках (фото-ЕРС виникає на p-n переході). Під дією світлового потоку електрони переходять на більш високий енергетичний рівень, підтримуючи, таким чином, перебіг струму в зовнішньому ланцюзі.
Паливні елементи перетворюють енергію палива в електричну, без реакції горіння. Дія цих елементів базується на принципах електрохімічного окисленні вуглеводневого палива (пропан, водень, метан, гас) в окислювальному середовищі. Іншими словами Паливні елементи являють собою "вічні батарейки", за умови, що до них безперервно підводиться паливо і окислювач (повітря).
Робота термогенераторов заснована на термоелектричному ефекті, що з'являється при нагріванні контакту двох напівпровідників або провідників, що призводить до генерації на їх вільних (холодних) кінцях ЕРС.
Одним з електродів атомної батареї є радіоактивний ізотоп, другим служить металева оболонка. Під дією радіоактивного випромінювання на електродах генерується різниця потенціалів в декілька кіловольт при струмі одиниці міліампер. Термін служби атомних елементів від декількох років до десятиліть.
Електричні машини - перетворять механічну енергію поступального або обертового руху в електричну і навпаки. Їх ділять на електричні машини постійного і змінного струму. При однаковій потужності ці види електричних машини змінного струму мають кращі показники, ніж їх аналоги постійного струму. Тому 98% електроенергії в світі генерується електричними машинами змінного струму.
Вторинні джерела живлення і їх види
Вони не виробляють електроенергію, вони її перетворять. Наприклад, блок живлення ноутбука перетворює мережеве напруга 220В в постійну - 19 Вольт. Всі види вторинних живлять джерел необхідні для того, щоб забезпечити електронним пристроям необхідні параметри струму, напруги, пульсацій і частоти.
Основні завдання вторинних ІП
Будь-який вид вторинного БП повинен забезпечувати передачу необхідної потужності з мінімальними втратами і виконанням заданих характеристик на виході без шкоди для роботи схеми. Зазвичай требуюмую потужність вибирають з деяким запасом.
Перетворення змінної напруги в постійне, і навпаки, а крім того формування імпульсів напруги, перетворення частоти і т. Д. Найчастіше перетворюють переменноее напруги заводської частоти в постійне.
Перетворення напруги - як в напрямок підвищення, так і зниження. Часто в поставленої задачі потрібно цілий комплекс різних напруг різного номіналу і величини для різних електронних ланцюгів.
Стабілізація в певних межах - струму, напруги або інших параметрів на виході БП, в залежності від впливу великої кількості зовнішніх дестабілізуючих причин: зміни струму навантаження, напруги на вході і т.п. Найчастіше в радіоаматорського практиці і основи електроніки потрібно стабілізація напруги на навантаженні, набагато рідше необхідна стабілізація струму.
Забезпечення гарного захисту по струму або напрузі в разі різних несправностей (припустимо, короткого замикання - КЗ). Також у багатьох реальних ситуаціях потрібен захист від струму йде неправильним шляхом: наприклад через землю при дотику людини або струмопровідного предмета до струмоведучих частин.
У всіх сучасних видах живлять джерел повинна бути відмінна гальванічна розв'язка ланцюгів це одна з основних захисних заходів від протікання електричного струму по іншому шляху.
Регулювання та налаштування в процесі експлуатації у споживача. У деяких випадках може знадобитися зміна будь-яких вихідних параметрів.
Функція управління - може включати регулювання, включення або відключення будь-яких вузлів і схем, або БП в цілому. Може бути виконана як безпосередньо за допомогою керуючих органів на корпусі пристрою), так і дистанційним або програмним способом.
У деяких випадках може знадобитися контроль і відображення параметрів на вході і на виході джерела живлення, включення або відключення ланцюгів, спрацьовування різних видів захистів. Також контроль може бути дистанційним, безпосереднім або автоматичним.
Зазвичай перед усіма видами вторинних джерел стоїть основне завдання перетворення мережевої електроенергії змінного струму промислової частоти (наприклад, в Росії це 220 Вольт, 50 Гц, а на ворожому заході - 120 Вольт, 60 Гц).
Лінійні джерела живлення і їх види сьогодні практично заміщені імпульсними, але незважаючи на цей факт, вони все ще продовжують залишатися практичним рішенням в радіоаматорських саморобки. Так як вони досить прості, легко налаштовуються і не вимагають використання дорогих компонентів, а головне вони набагато надійніше імпульсних блоків живлення.
Найпростіший лінійний джерело живлення складається з мережевого понижуючого трансформатора, діодного моста з фільтром і стабілізатора. Основним мінусом такої схеми є низький ККД і необхідність резервування потужності практично у всіх компонентах схеми (тобто потрібна установка радіодеталей допускають великі навантаження, ніж передбачувані).
На малюнку показана найпростіша схема трансформаторного БП без функції стабілізації струму або напруги, з двухполуперіодним мостовим випрямлячем.
трансформатор , В деяких випадках автотрансформатор знижує напруга мережі до потрібного (відповідно до поставлених завдань) рівня, потім випрямляч - випрямляє його до пульсуючого односпрямованого. У більшості випадків випрямляч має всього один діод (однополуперіодний випрямляч) або чотири діода, що утворюють діодний міст (двухполуперіодний випрямляч - показаний на малюнку вище). Іноді в радіоаматорського практиці можуть застосовуватися і інші схеми, наприклад, в випрямлячах з подвоєнням або множенням напруги, далі постійна напруга згладжується фільтром, зазвичай він згладжує коливання (або як їх ще називають багато радіоаматори пульсації). Зазвичай мережевий фільтр являє собою просто конденсатор великої рівня ємності. Стабілізатор напруги необхідний для того, щоб підтримувати необхідний рівень на навантаженні.
Найпростіший згладжує фільтр - це конденсатор великої ємності, підключений паралельно випрямителю (діодному мосту).
Також в принциповій схемі можуть бути застосовані фільтри високочастотних перешкод або сплесків, реалізований захист на варисторах і від короткого замикання.
Умовно всі лінійні джерела можна також розділити на стабілізовані і нестабілізовані. У стабілізованих джерелах живлення стабілізатор відповідає за підтримання стабільного вихідної напруги.
сама найпростіша схема саморобного блоку живлення постійного струму, складається з трьох основних функціональних вузлів - це понижуючий трансформатор, діодний випрямляч і згладжує конденсаторний фільтр. Залежно від номінальної потужності БП і ці вузли будуть мати різні габарити і типи. Основний і найбільш дорогий частиною є трансформатор, який знижує мережеве змінну напруги до необхідних номіналів. Перш ніж його вибрати, визначитеся з електричною потужністю, яка необхідна. Для цього напруга перемножити на силу струму навантаження, плюс залиште невеликий запас потужності приблизно на 20-30%.
Схеми стабілізаторів напруги - радіо любительська добірка стабілізаторів напруги. Частина схем розглядають стабілізатор без захисту від КЗ в навантаженні, в інших закладена можливість плавного регулювання напруги від 0 до 20 Вольт. Ну а відмінною рисою окремих конструкція є можливість захисту від короткого замикання в навантаженні.
Імпульсні джерела живлення
На дворі 21 століття трансформаторних блоків живлення залишається все менше, т.к їм на зміну прийшли імпульсні блоки живлення, інакше їх ще називають безтрансформаторним. Чому це сталось? По-перше імпульсні блоки живлення куди більш компактні, легше і дешевше у виробництві. По мимо цього ККД імпульсних джерел може доходити до 80%.
Простий імпульсний блок живлення своїми руками:
Найпростіший і яскравий представник імпульсних блоків для світлодіодних стрічок, модулів виготовляється на напругу живлення - 5,12,24 В. Містить зовсім невелика кількість радіо компонентів, має легку вагу і невеликі габарити. Аналогічний трансформаторний БП важив би пару кілограм, а то і більше. У БП для світлодіодних стрічок теж є трансформатор, але він дуже маленький, так як працює на високих частотах. Окремим пунктом можна сказати, що ККД такого блоку - близько 70-80%, але при цьому від нього генеруються сильні перешкоди в побутову мережу. Існує величезна кількість імпульсних БП працюють на аналогічному принципі - для ноутбуків і нетбуків, принтерів, факсів, телевізорів і моніторів і т. П. Отже, основний плюс ДБЖ - малі габарити і низька вага. Гальванічна розв'язка в них також є. А основний їх мінус той же, що і у типового трансформаторного. Він може швидко згоріти від перевантаження.
Бажано мати 15 - 20% запас по напрузі, струму і потужності. Тобто якщо у вас є трансформатор на 150 Вт - краще не підключайте до нього більше, ніж 100 Вт навантаження. . Також варто додати, що джерело не люблять включення без навантаження. Тому не рекомендується залишати зарядні пристрої для мобільніуов і планшетників в розетці по закінченню роботи. Хоча більшість сучасних ДБЖ мають захист від включення без навантаження.
Як бачите ДБЖ виконують таку саму роботу, а саме, забезпечують необхідний рівень напруги для живлення різних пристроїв електронної техніки, які до них приєднані.
Плюси і мінуси імпульсних джерел живлення і їх види
Плюси ДБЖ:
Мають меншу вагу за рахунок того, що з ростом частоти можна застосовувати імпульсні трансформатори набагато менших розмірів при тій же самій потужності
значно вищий рівень коефіцієнта корисної дії ККД (В деяких випадках ККД досягає навіть рівня 95-98%) за рахунок того, що основні втрати в ДБЖ пов'язані з перехідними процесами в моменти перемикання їх ключового елемента (зазвичай силового біполярного або польового транзистора). Так як більшу частину часу ключові радіо компоненти знаходяться в одному з двох своїх стійких станів (тобто транзистор або відкритий, або закритий) втрати електричної енергії будуть мінімальні;
Набагато більш низька вартість, завдяки масовому заводському випуску уніфікованих компонентів і розробці недорогих силових транзисторів високої потужності, що працюють в ключовому режимі. Крім цього слід враховувати значно меншу ціну імпульсних трансформаторів при аналогічній потужності, що передається, і можливість вживання не таких потужних силових радіо компонентів, так як режим їх роботи ключовий;
Широкий діапазон напруги живлення і частоти ДБЖ ще один жирний плюс в порівнянні з класичними. У практичному застосуванні це означає можливість застосування одного і того ж ІБП для пристроїв цифрової електроніки в різних країнах, сильно відмінних за рівнем напруги і частоти в типових електричних розетках;
Наявністю в більшості сучасних ДБЖ вбудованих захисних ланцюгів від різних аварійних ситуацій, наприклад від відсутності навантаження на виході схеми або короткого замикання.
Мінуси ДБЖ:
Так як робота основної частини схеми відбувається без гальванічної розв'язки від мережі, що, ускладнює ремонт таких пристроїв;
Абсолютно всі ДБЖ є основною причиною появи і освіти високочастотних перешкод в мережах змінного струму, так як це пов'язано з принципом їх роботи. Тому необхідно використовувати додаткові помехоподавляющие заходи, але і вони не усувають перешкоди на всі 100%. Тому в деяких випадках неприпустимо застосування ІБП в деяких видах радіоелектронної апаратури
Основні характеристики джерел живлення
Основними технічними характеристиками, що характеризують всі види живлять джерел, є:
вихідна напруга U вих;
рівень пульсацій U вих (величина пульсацій);
вихідний струм;
межі зміни напруги мережі живлення; максимальна потужність, споживана джерелом від мережі живлення;
Коефіцієнт стабілізації - показує на скільки добре відбувається стабілізація U вих
Живильні джерела РЕА їх види, класифікація та основні характеристики
У навчальному посібнику розглянуті: технічні характеристики і види БП, а також схемотехніка лінійних та імпульсних живлять джерел побудованих на напівпровідникових елементах; їх функціональні вузли і види вторинних джерел електроживлення (трансформатори, керовані і некеровані випрямлячі, згладжують фільтри, стабілізатори на дискретних компонентах і мікросхемах, схеми і види захисту від перевантаження по перенапруження і току; хімічні джерела струму найбільш поширених видів (вугільно-цинкової і хлорісто- цинкової, лужно-марганцевої, ртутно-цинкової, срібно-цинкової і літієвих систем). Посібник складено відповідно до робочої програми з дисципліни «Електроніка в приладобудуванні» д я студентів ВНЗ і технікумів.
Чому це сталось?