Typy napájania

V elektrotechnike je napájací zdroj zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na výstupné elektrické napätie, prúd a frekvenciu, ktorú potrebuje pripojený elektrický spotrebič. Premieňa striedavý prúd na jednosmerný a napája rôzne elektronické zariadenia (počítač, TV, tlačiareň, router atď.). Existujú dva rôzne typy napájacích zdrojov: zdroj napätia (poskytuje konštantné napätie) a zdroj prúdu (poskytuje konštantný prúd).

Napájacie zdroje pre elektronické zariadenia možno rozdeliť hlavne na lineárne a impulzné:

• lineárne napájacie zdroje, v ktorých je príslušným prvkom transformátor (existujú aj lineárne napájacie zdroje bez transformátorov);
• spínané zdroje pomocou rôznych typov elektronických systémov (meniče napätia);

Lineárne majú relatívne jednoduchý dizajn, ktorý sa môže skomplikovať, keď sa zvyšuje prúd, ktorý potrebujú dodávať, ale ich regulácia napätia nie je pre nich príliš efektívna.

Napájanie je neoddeliteľnou súčasťou mnohých zariadení. Niektoré z hlavných typov sú:

• Jednotka impulzného napájania. V súčasnosti sa väčšina zdrojov vyrába vo forme spínaných zdrojov. Ich výhodou je predovšetkým nižšia hmotnosť. Keď ešte nebolo k dispozícii polovodičové riadenie a napájacie zdroje, použili sa ťažšie a odolnejšie transformátorové napájacie zdroje, ktoré umožnili nízkonákladové návrhy spínaných zdrojov.
• Napájanie počítača. Počítače obsahujú spínaný zdroj, ktorý premieňa nízke striedavé napätie z distribučnej siete (230 V, 50 Hz) na nízke napätie používané v elektrických obvodoch počítača (DC 3,3 V, 5 V a 12 V).
• Sieťový adaptér. Je to malý spínaný zdroj energie, ktorý má tvar a veľkosť ako štandardná elektrická zástrčka (napríklad nabíjačka mobilného telefónu), ktorá sa používa na 230 V sieťovom zdroji, ktorý poskytuje nízke napätie potrebné pre konkrétne elektrické alebo elektronické zariadenie. Sieťové adaptéry sa zvyčajne používajú so zariadeniami a spotrebičmi, ktoré nemajú vlastný vnútorný zdroj napájania.
• Zdroj zváracieho prúdu. Zváracie zdroje poskytujú vysoký prúd (zvyčajne stovky ampérov), ktorý umožňuje lokálne roztavenie kovu a tým spojenie. Predtým sa používali takzvané zváracie transformátory (so špeciálnymi elektromagnetickými transformátormi určenými pre vysoké zváracie prúdy), modernejšie sú zváracie invertory s elektronickým ovládaním.

Vnútorný odpor napájacieho zdroja

Ideálny zdroj ako zdroj napätia poskytuje vždy rovnaké napätie bez ohľadu na pripojenú záťaž (t.j. napájacie napätie je konštantné pri rôznych odberoch prúdu).

Neexistuje však dokonalý zdroj, pretože vnútorný odpor skutočný zdroj obmedzuje maximálny prúd, ktorý môže pretekať obvodom.

Tento zdroj dokáže pomocou regulátora napätia zabezpečiť stabilné výstupné napätie, ktoré je zabezpečené úbytkom napätia (rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím regulátora). Príklad — Regulátor spínacieho napätia

Takže podľa kvality výstupného napätia sa napájacie zdroje rozlišujú:

• stabilizované zdroje, ktorých napätie je udržiavané na konštantnej úrovni bez ohľadu na kolísanie prúdu,
• neregulované zdroje, kde sa výstupné napätie môže meniť s kolísaním prúdu.

Transformátorové lineárne napájacie zdroje

Klasické lineárne zdroje pozostávajú z týchto prvkov: transformátor, usmerňovač, filter a regulátor napätia.

Schéma lineárneho napájacieho zdroja

Po prvé, transformátor prevádza sieťové napätie na znížené napätie a poskytuje galvanická izolácia… Obvod, ktorý premieňa striedavý prúd na impulzný jednosmerný prúd, sa nazýva usmerňovač (na usmernenie sa používajú obvody diódového mostíka), potom zvlnenie znižuje filter s kondenzátormi a tlmivkami. Viac o filtroch — Výkonové filtre.

Regulácia alebo stabilizácia napätia na danú hodnotu sa dosahuje pomocou tzv Regulátor napätia v konštrukcii ktorého tranzistory.

Tranzistor v obvode funguje ako nastaviteľný odpor.Na výstupe tohto stupňa, aby sa dosiahla väčšia stabilita vo vlne, je druhý filtračný stupeň (aj keď nie nevyhnutne, všetko závisí od konštrukčných požiadaviek), môže to byť konvenčný kondenzátor.

Medzi napájacími zdrojmi sú tie, v ktorých je napájanie dodávané do záťaže regulované tyristormina dodanie požadovaného napätia a výkonu do záťaže.

Nemecké laboratórne napájanie

Moderné lineárne napájacie zdroje

Stabilizácia napätia v základnom type lineárnych zdrojov sa dosiahne zapojením špeciálneho prvku paralelne s obvodom napájaným z neregulovaného zdroja vyššieho napätia cez vhodný rezistor, ktorého prúdovo-napäťová charakteristika vykazuje prudký nárast prúdu pri požadovanom Napätie. Je to taký prvok Zenerova dióda, ktorý pracuje v širokom rozsahu prahových napätí.

Nevýhody napájacieho zdroja so zenerovou diódou sú relatívne nízka stabilita výstupného napätia, relatívne malý rozsah prúdu a najmä nízka účinnosť, pretože elektrická energia sa v sériovom rezistore a v samotnej zenerovej dióde premieňa na teplo.

Moderné lineárne zdroje (zvyčajne vo forme integrovaného obvodu) využívajú prvok s premenlivou impedanciou (tranzistor s lineárnym režimom), ktorý je riadený spätnou väzbou na základe rozdielu medzi výstupným napätím a jednosmerným napätím z interného referenčného napätia (na báze diódy). obvod, ale s malým jednosmerným prúdom).

Typické lineárne zdroje sú IC 78xx (napr. 7805 je zdroj napätia 5V) a ich deriváty.

Nevýhodou takýchto lineárnych zdrojov je ich nízka účinnosť (a preto, že strata výkonu v integrovanom obvode sa mení s teplom a potrebou chladenia), najmä pri veľkom rozdiele medzi vstupným a výstupným napätím a vysokých prúdoch. tiež niekedy nevýhodné, že výstupné napätie je vždy nižšie ako vstupné napätie.

Výhoda spočíva v ich nízkej cene, malých rozmeroch, jednoduchosti použitia a absencii rušenia zvonku a elektrického obvodu.

Zabudovaný napájací zdroj v elektrotechnickom laboratóriu

Spínané napájacie zdroje

V impulzných zdrojoch sa používa tranzistor s efektom poľa, ktorý sa periodicky zatvára na relatívne vysokej frekvencii (desiatky kHz alebo viac) a zvyšuje vstupné napätie obvodu pozostávajúceho z kombinácie cievky, kondenzátora a diódy. Vhodnou kombináciou týchto prvkov je možné dosiahnuť zníženie a zvýšenie napätia.

Ďalším typom impulzného zdroja je zdroj s transformátorom a následným diódovým usmerňovačom, ktorý využíva výhodné vlastnosti (menšie rozmery transformátora pri vysokých prúdoch, nižšie magnetické straty) moderných magnetických materiálov (feritov) pri vysokých frekvenciách. . Zmenou frekvencie môžete dosiahnuť zmenu výstupného napätia.

Takýto napájací zdroj teda obsahuje obvod (zvyčajne vo forme integrovaného obvodu), ktorý poskytuje variáciu frekvencie na základe spätnej väzby z výstupného napätia, aby sa zabezpečilo stabilné výstupné napätie pri meniacich sa záťažiach.

Viac o spínaných zdrojoch: Všeobecné princípy, výhody a nevýhody spínaných zdrojov

Pretože spínané zdroje pracujú s napätím a prúdmi so štvorcovými vlnami, zvyčajne vyžarujú elektromagnetické vlny v širokom frekvenčnom rozsahu. Preto je pri ich tvorbe a používaní potrebné dodržiavať zásady elektromagnetickej kompatibility (EMC).

Laboratórne vybavenie

V dielni alebo laboratóriu sa na meranie, testovanie a riešenie problémov používa presný napájací zdroj. Tieto laboratórne napájacie zdroje konvertujú, usmerňujú a regulujú napätie, ako aj výstupné prúdy, takže merania možno vykonávať bez poškodenia testovaných zariadení.

Pozri tiež:Napájacie zdroje pre zariadenia priemyselnej automatizácie