Адаптеры переменного тока: типы и принципы работы

Введение

Тип внешнего источника питания другие значения этого термина

Адаптер переменного тока или адаптер переменного/постоянного тока (также называемый сетевым зарядным устройством, блоком питания, "power brick" или "wall wart") — это тип внешнего источника питания, часто заключенный в корпус, похожий на вилку переменного тока. Адаптеры переменного тока обеспечивают электропитанием устройства, которые не имеют внутренних компонентов для преобразования сетевого напряжения и получения питания напрямую от сети. Внутренняя схема внешнего источника питания часто очень похожа на конструкцию, используемую во встроенных или внутренних источниках питания. При использовании с оборудованием, работающим от аккумуляторов, адаптеры обычно заряжают аккумулятор, а также питают само устройство. Помимо устранения необходимости во внутренних источниках питания, адаптеры обеспечивают гибкость: устройство может получать питание от сети 120 В или 230 В переменного тока, автомобильного аккумулятора или бортовой сети самолета, используя различные адаптеры. Безопасность также может быть преимуществом, поскольку опасное сетевое напряжение 120 или 240 В преобразуется в более низкое и безопасное напряжение непосредственно в адаптере, прежде чем попасть в прибор, которым пользуется пользователь.

Способы работы

Первоначально большинство адаптеров переменного и постоянного тока были линейными источниками питания, содержащими трансформатор для преобразования напряжения сети в более низкое, выпрямитель для преобразования его в пульсирующий постоянный ток и фильтр для сглаживания пульсирующей формы сигнала в постоянный ток, с остаточными пульсациями, достаточно малыми, чтобы не оказывать влияния на питаемое устройство. Размер и вес устройства в значительной степени определялись трансформатором, который, в свою очередь, зависел от выходной мощности и частоты сети. Адаптеры мощностью более нескольких ватт были слишком большими и тяжелыми, чтобы их можно было физически поддерживать у розетки. Выходное напряжение этих адаптеров изменялось в зависимости от нагрузки; для оборудования, требующего более стабильного напряжения, добавлялись линейные схемы стабилизации напряжения. Потери в трансформаторе и линейном регуляторе были значительными; эффективность была относительно низкой, и большая часть энергии рассеивалась в виде тепла даже при отсутствии нагрузки. В начале двадцать первого века импульсные источники питания (SMPS) стали практически повсеместными для этой цели благодаря своим компактным размерам и небольшому весу по сравнению с их выходной мощностью. Напряжение сети выпрямляется до высокого постоянного напряжения, которое управляет коммутирующей схемой, содержащей трансформатор, работающий на высокой частоте, и выдающий постоянный ток с требуемым напряжением. Высокочастотные пульсации легче фильтровать, чем пульсации частоты сети. Высокая частота позволяет использовать небольшой трансформатор, что снижает его потери; а импульсный регулятор может быть гораздо эффективнее линейного. В результате получается гораздо более эффективное, компактное и легкое устройство. Безопасность обеспечивается, как и в старых линейных схемах, поскольку трансформатор по-прежнему обеспечивает гальваническую развязку. Линейная схема должна быть рассчитана на конкретный, узкий диапазон входных напряжений (например, 220–240 В переменного тока) и должна использовать трансформатор, подходящий для частоты (обычно 50 или 60 Гц), но импульсный источник питания может эффективно работать в очень широком диапазоне напряжений и частот; одно устройство 100–240 В переменного тока может работать практически от любого источника питания в мире. Многие недорогие импульсные адаптеры переменного тока не имеют достаточной фильтрации и/или экранирования от электромагнитных помех, которые они создают. Природа этих высокоскоростных, высокоэнергетических коммутирующих схем такова, что при отсутствии этих мер предосторожности могут генерироваться и излучаться относительно высокоэнергетические гармоники, проникающие далеко в радиочасть спектра. Уровень радиочастотной энергии обычно уменьшается с увеличением частоты; например, помехи в средневолновом (US AM) диапазоне вещания в районе одного мегагерца могут быть сильными, в то время как помехи в диапазоне FM-вещания около 100 мегагерц могут быть значительно меньше. Расстояние имеет значение; чем ближе помехи к радиоприемнику, тем сильнее они будут. Даже прием Wi-Fi в диапазоне гигагерц может ухудшиться, если приемные антенны находятся очень близко к излучающему адаптеру переменного тока. Определить, исходит ли помеха от конкретного адаптера переменного тока, можно, просто отключив подозреваемый адаптер и наблюдая за уровнем помех в проблемном радиодиапазоне. В современном доме или офисе может использоваться несколько адаптеров переменного тока; в этом случае отключите их все, а затем подключайте по одному, пока не будет найден виновник или виновники.

Originally, most AC/DC adapters were linear power supplies, containing a transformer to convert the mains electricity voltage to a lower voltage, a rectifier to convert it to pulsating DC, and a filter to smooth the pulsating waveform to DC, with residual ripple variations small enough to leave the powered device unaffected. Size and weight of the device was largely determined by the transformer, which in turn was determined by the power output and mains frequency. Ratings over a few watts made the devices too large and heavy to be physically supported by a wall outlet. The output voltage of these adapters varied with load; for equipment requiring a more stable voltage, linear voltage regulator circuitry was added. Losses in the transformer and the linear regulator were considerable; efficiency was relatively low, and significant power dissipated as heat even when not driving a load. Early in the twenty first century, switched mode power supplies (SMPSs) became almost ubiquitous for this purpose due to their compact size and light weight relative to their power output ability. Mains voltage is rectified to a high direct voltage driving a switching circuit, which contains a transformer operating at a high frequency and outputs direct current at the desired voltage. The high frequency ripple is more easily filtered out than mains frequency. The high frequency allows the transformer to be small, which reduces its losses; and the switching regulator can be much more efficient than a linear regulator. The result is a much more efficient, smaller, and lighter device. Safety is ensured, as in the older linear circuit, because a transformer still provides galvanic isolation. A linear circuit must be designed for a specific, narrow range of input voltages (e. g., 220–240 VAC) and must use a transformer appropriate for the frequency (usually 50 or 60 Hz), but a switched mode supply can work efficiently over a very wide range of voltages and frequencies; a single 100–240 VAC unit will handle almost any mains supply in the world. Many inexpensive switched mode AC adapters do not implement adequate filtering and/or shielding for electromagnetic interference that they generate. The nature of these high speed, high energy switching designs is such that when these preventative measures are not implemented, relatively high energy harmonics can be generated, and radiated, well into the radio portion of the spectrum. The amount of RF energy typically decreases with frequency; so, for instance, interference in the medium wave (US AM) broadcast band in the one megahertz region may be strong, while interference with the FM broadcast band around 100 megahertz may be considerably less. Distance is a factor; the closer the interference is to a radio receiver, the more intense it will be. Even WiFi reception in the gigahertz range can be degraded if the receiving antennae are very close to a radiating AC adapter. A determination of if interference is coming from a specific AC adapter can be made simply by unplugging the suspect adapter while observing the amount of interference received in the problem radio band. In a modern household or business environment, there may be multiple AC adapters in use; in such a case, unplug them all, then plug them back in one by one until the culprit or culprits is found.

Преимущества

Внешние сетевые адаптеры широко используются для питания небольших или портативных электронных устройств. Преимущества включают в себя:

Безопасность – Внешние адаптеры питания позволяют разработчикам устройств не беспокоиться о некоторых вопросах безопасности. Большая часть подобного оборудования использует напряжения, достаточно низкие, чтобы не представлять опасности внутри устройства, хотя блок питания по необходимости должен использовать опасное сетевое напряжение. При использовании внешнего блока питания (обычно через разъем питания, часто коаксиального типа) оборудование не требует проектирования с учетом опасных напряжений внутри корпуса. Это особенно важно для устройств в легких корпусах, которые могут сломаться и обнажить внутренние электрические компоненты. Снижение тепловыделения – Тепло снижает надежность и срок службы электронных компонентов и может приводить к неточностям или сбоям в работе чувствительных схем. Отдельный блок питания устраняет источник тепла из самого устройства. Уменьшение электрических помех – Поскольку излучаемые электрические помехи уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, производителю выгодно преобразовывать потенциально шумное питание от сети переменного тока или автомобильное питание в "чистый", фильтрованный постоянный ток во внешнем адаптере, на безопасном расстоянии от чувствительной к помехам схемы. Уменьшение веса и габаритов – Удаление силовых компонентов и сетевого шнура из оборудования, работающего от аккумуляторных батарей, снижает вес и размер, который необходимо переносить. Простота замены – Блоки питания более подвержены отказам, чем другие схемы, из-за воздействия скачков напряжения и внутреннего выделения тепла. Внешние блоки питания можно быстро заменить пользователем без необходимости ремонта питаемого устройства. Конфигурационная гибкость – Электронные устройства с внешним питанием могут использоваться с различными источниками питания по мере необходимости (например, 120 В переменного тока, 240 В переменного тока, 12 В постоянного тока или внешний аккумулятор) для удобства использования в полевых условиях или в путешествиях. Упрощение управления запасами, распространения и сертификации – Электронный продукт, который продается и используется на международном уровне, должен питаться от широкого спектра источников питания и соответствовать требованиям безопасности продукции в различных странах, что обычно требует дорогостоящей сертификации со стороны национальных или региональных агентств безопасности, таких как Underwriters Laboratories или Technischer Überwachungsverein. Для многих рынков может использоваться одна версия устройства, а различные требования к питанию обеспечиваются различными внешними блоками питания, что позволяет производить, хранить и тестировать только одну версию устройства. Если конструкция устройства со временем изменяется (что часто происходит), конструкцию самого блока питания не нужно перепроверять (и наоборот). Постоянное напряжение обеспечивается специальным типом адаптера, используемого для компьютеров и ноутбуков. Эти типы адаптеров обычно называют "eliminators" (устранителями).

Safety – External power adapters can free product designers from worrying about some safety issues. Much of this style of equipment uses only voltages low enough not to be a safety hazard internally, although the power supply must out of necessity use dangerous mains voltage. If an external power supply is used (usually via a power connector, often of coaxial type), the equipment need not be designed with concern for hazardous voltages inside the enclosure. This is particularly relevant for equipment with lightweight cases which may break and expose internal electrical parts. Heat reduction – Heat reduces reliability and longevity of electronic components, and can cause sensitive circuits to become inaccurate or malfunction. A separate power supply removes a source of heat from the apparatus. Electrical noise reduction – Because radiated electrical noise falls off with the square of the distance, it is to the manufacturer's advantage to convert potentially noisy AC line power or automotive power to "clean", filtered DC in an external adapter, at a safe distance from noise sensitive circuitry. Weight and size reduction – Removing power components and the mains connection plug from equipment powered by rechargeable batteries reduces the weight and size which must be carried. Ease of replacement – Power supplies are more prone to failure than other circuitry due to their exposure to power spikes and their internal generation of waste heat. External power supplies can be replaced quickly by a user without the need to have the powered device repaired. Configuration versatility – Externally powered electronic products can be used with different power sources as needed (e. g. 120 VAC, 240 VAC, 12 VDC, or external battery pack), for convenient use in the field, or when traveling. Simplified product inventory, distribution, and certification – An electronic product that is sold and used internationally must be powered from a wide range of power sources, and must meet product safety regulations in many jurisdictions, usually requiring expensive certification by national or regional safety agencies such as Underwriters Laboratories or Technischer Überwachungsverein. A single version of a device may be used in many markets, with the different power requirements met by different external power supplies, so that only one version of the device need be manufactured, stocked, and tested. If the design of the device is modified over time (a frequent occurrence), the power supply design itself need not be retested (and vice versa). Constant voltage is produced by a specific type of adapter used for computers and laptops. These types of adapters are commonly known as eliminators.

Проблемы

Опрос потребителей выявил широкое недовольство высокой стоимостью, неудобством и нерациональностью большого количества адаптеров питания, используемых электронными устройствами.

Эффективность

Проблема неэффективности некоторых источников питания стала широко известной, и в 2001 году президент США Джордж Буш назвал такие устройства «энергетическими вампирами». В Европейском союзе и ряде штатов США принимается законодательство, направленное на снижение потерь энергии этими устройствами. К таким инициативам относятся режим ожидания и инициатива «Один Ватт». Однако другие утверждают, что эти неэффективные устройства потребляют мало энергии, например, устройства для зарядки небольших аккумуляторов, поэтому даже при низкой эффективности количество потребляемой ими энергии составляет менее 1% от общего потребления электроэнергии в домохозяйстве. Согласно отчету за 2002 год, общая эффективность источников питания для малой электроники у старых линейных трансформаторов сетевой частоты составляла от 20 до 75%, при этом наблюдались значительные потери энергии даже во включенном, но не нагруженном состоянии. Импульсные источники питания (SMPS) значительно эффективнее: хорошо спроектированный блок может иметь КПД 80–90%, а также он намного меньше и легче. В 2002 году большинство внешних адаптеров питания типа «бородавка», обычно используемых для маломощной бытовой электроники, имели линейную конструкцию, как и источники питания, встроенные в некоторые устройства. Внешние блоки питания обычно остаются подключенными к сети даже в неиспользуемом состоянии, потребляя от нескольких до 35 ватт энергии. В отчете было сделано заключение, что в Соединенных Штатах можно было бы сэкономить около 32 миллиардов киловатт-часов (кВт⋅ч) в год, что составляет около 1% от общего потребления электроэнергии, за счет замены всех линейных источников питания (средняя эффективность 40–50%) на современные импульсные источники питания (эффективность 80–90%), замены старых импульсных источников питания (эффективность менее 70%) на современные модели (эффективность не менее 80%) и снижения потребления в режиме ожидания до 1 ватта. С момента публикации отчета SMPS действительно во многом заменили линейные источники питания, в том числе и в адаптерах типа «бородавка». В отчете за 2002 год было подсчитано, что 6% электроэнергии, используемой в США, «проходит» через источники питания (без учета только «бородавок»). На сайте, где был опубликован отчет, в 2010 году сообщалось, что, несмотря на распространение SMPS, «современные источники питания потребляют не менее 2% всей электроэнергии, производимой в США. Более эффективные конструкции источников питания могут сократить это потребление вдвое». Поскольку потерянная электроэнергия выделяется в виде тепла, неэффективный источник питания нагревается при прикосновении, как и устройство, потребляющее энергию без нагрузки. Это отводимое тепло само по себе является проблемой в теплую погоду, поскольку может потребоваться дополнительное кондиционирование воздуха для предотвращения перегрева и даже для отвода нежелательного тепла от крупных блоков питания.

The issue of inefficiency of some power supplies has become well known, with U. S. president George W. Bush referring in 2001 to such devices as "Energy Vampires". Legislation is being enacted in the EU and a number of U. S. states to reduce the level of energy wasted by some of these devices. Such initiatives include standby power and the One Watt Initiative. But others have argued that these inefficient devices are low powered, e. g., devices that are used for small battery chargers, so even if they have a low efficiency, the amount of energy they waste is less than 1% of household consumption of electric energy. Considering the total efficiency of power supplies for small electronic equipment, the older mains frequency linear transformer based power supply was found in a 2002 report to have efficiencies from 20 to 75%, and have considerable energy loss even when powered up but not supplying power. Switched mode power supplies (SMPSs) are much more efficient; a good design can be 80–90% efficient, and is also much smaller and lighter. In 2002 most external plug in "wall wart" power adapters commonly used for low power consumer electronics devices were of linear design, as well as supplies built into some equipment. External supplies are usually left plugged in even when not in use, and consume from a few watts to 35 watts of power in that state. The report concluded that about 32 billion kilowatt hours (kWh) per year, about 1% of total electrical energy consumption, could be saved in the United States by replacing all linear power supplies (average efficiency 40–50%) with advanced switching designs (efficiency 80–90%), by replacing older switching supplies (efficiencies of less than 70%) with advanced designs (efficiency of at least 80%), and by reducing standby consumption of supplies to not more than 1 watt. Since the report was published, SMPSs have indeed replaced linear supplies to a great extent, even in wall warts. The 2002 report estimated that 6% of electrical energy used in the U. S. "flows through" power supplies (not counting only the wall warts). The website where the report was published said in 2010 that despite the spread of SMPSs, "today's power supplies consume at least 2% of all U. S. electricity production. More efficient power supply designs could cut that usage in half". Since wasted electrical energy is released as heat, an inefficient power supply is hot to the touch, as is one that wastes power without an electrical load. This waste heat is itself a problem in warm weather, since it may require additional air conditioning to prevent overheating, and even to remove the unwanted heat from large supplies.

Универсальные адаптеры питания

Внешние адаптеры питания могут выходить из строя или отсоединяться от устройств, для которых они предназначены. Соответственно, существует спрос на замену адаптеров. Заменяющий адаптер должен соответствовать входному и выходному напряжениям, обеспечивать равный или больший ток и иметь подходящий разъем. Многие электрические приборы имеют недостаточную маркировку информации о необходимом источнике питания, поэтому разумно заранее записать характеристики оригинального адаптера, чтобы облегчить замену в случае его утери. Тщательная маркировка адаптеров питания также может снизить вероятность их перепутывания, что может привести к повреждению оборудования. Некоторые "универсальные" адаптеры питания позволяют изменять выходное напряжение и полярность для соответствия различным устройствам. С появлением импульсных источников питания адаптеры, способные работать от напряжения 110–240 В переменного тока, стали широко доступны; ранее использовались версии на 100–120 В или 200–240 В. Существуют также адаптеры, которые можно использовать с бортовыми сетями автомобилей и самолетов (см. EmPower). Четырехконтактные X-образные разъемы или шестиконтактные звездчатые разъемы, также известные как "пауки", с множеством размеров и типов штекеров, часто встречаются в универсальных источниках питания. Другие адаптеры питания имеют сменные разъемы, с четырьмя-девятью различными вариантами в комплекте. Это позволяет собирать множество различных конфигураций адаптеров переменного тока без пайки. Philmore и другие производители предлагают аналогичные адаптеры переменного тока со сменными разъемами. Информация на этикетке адаптера питания не всегда является надежным показателем фактического напряжения, которое он выдает в различных условиях. Многие недорогие адаптеры питания являются "нестабилизированными", то есть их напряжение может значительно изменяться в зависимости от нагрузки. При небольшой нагрузке они могут выдавать напряжение значительно выше номинального, что может повредить подключенное устройство. При большой нагрузке выходное напряжение может значительно проседать, в некоторых случаях опускаясь ниже номинального даже при номинальном токе, что может привести к сбоям или повреждению оборудования. Адаптеры с линейными (в отличие от импульсных) регуляторами тяжелые, громоздкие и дорогие. Современные импульсные источники питания (SMPS) меньше, легче и эффективнее. Они обеспечивают более стабильное напряжение, чем нерегулируемые источники питания, при изменении входного напряжения и тока нагрузки. Когда они только появились, они были дорогими, но к началу XXI века цены на компоненты импульсных источников питания снизились настолько, что даже недорогие адаптеры могли использовать эту технологию, экономя на стоимости более крупного и тяжелого трансформатора частоты сети.

External power adapters can fail, or can become separated from the product they are intended to power. Consequently, there is a market for replacement adapters. The replacement must match input and output voltages, match or exceed current capability, and be fitted with a matching connector. Many electrical products are poorly labeled with information concerning the power supply they require, so it is prudent to record the specifications of the original power supply in advance, to ease replacement if the original is later lost. Careful labeling of power adapters can also reduce the likelihood of a mixup which could cause equipment damage. Some "universal" replacement power supplies allow output voltage and polarity to be switched to match a range of equipment. With the advent of switch mode supplies, adapters which can work with any voltage from 110 VAC to 240 VAC became widely available; previously either 100–120 VAC or 200–240 VAC versions were used. Adapters which can also be used with motor vehicle and aircraft power (see EmPower) are available. Four way X connectors or six way star connectors, also known as spider connectors, with multiple plug sizes and types are common on generic power supplies. Other replacement power supplies have arrangements for changing the power connector, with four to nine different alternatives available when purchased in a set. This allows many different configurations of AC adapters to be put together, without requiring soldering. Philmore and other competing brands offer similar AC adapters with interchangeable connectors. The label on a power supply may not be a reliable guide to the actual voltage it supplies under varying conditions. Many low cost power supplies are "unregulated", in that their voltage can change considerably with load. If they are lightly loaded, they may put out much more than the nominal "name plate" voltage, which could damage the load. If they are heavily loaded, the output voltage may droop appreciably, in some cases well below the nominal label voltage even within the nominal rated current, causing the equipment being supplied to malfunction or be damaged. Supplies with linear (as against switched) regulators are heavy, bulky, and expensive. Modern switched mode power supplies (SMPSs) are smaller, lighter, and more efficient. They put out a much more constant voltage than unregulated supplies as the input voltage and the load current vary. When introduced, their prices were high, but by the early 21st century the prices of switch mode components had dropped to a degree which allowed even cheap supplies to use this technology, saving the cost of a larger and heavier mains frequency transformer.

Адаптеры автоматического обнаружения

Некоторые универсальные адаптеры автоматически устанавливают выходное напряжение и максимальный ток в зависимости от установленной сменной насадки; насадки доступны для подключения и обеспечения соответствующего питания для многих ноутбуков и мобильных устройств. Разные насадки могут использовать один и тот же разъем, но автоматически обеспечивать разную мощность; крайне важно использовать правильную насадку для питаемого устройства, при этом пользователю не требуется вручную устанавливать какие-либо переключатели. Развитие импульсных источников питания позволило адаптерам работать от любой сети переменного тока от 100 до 240 В с подходящей вилкой; также поддерживается работа от стандартных источников постоянного тока 12 В в автомобилях и самолетах. При наличии подходящего адаптера, аксессуаров и насадок, широкий спектр оборудования можно питать практически от любого источника энергии. Предложена система "Зеленая вилка", основанная на технологии USB, в которой потребляющее устройство сообщает внешнему источнику питания о необходимом типе питания.

Устранитель батареи

Элиминатор батареи — это адаптер, предназначенный для питания устройства, рассчитанного на работу от батарей, например, радиоприемника, от сети переменного тока. Первые коммерческие элиминаторы батарей были произведены компанией Edward S. Rogers, Sr. в 1925 году в качестве дополнения к его линейке радиоприемников, не требующих батарей. Другим ранним производителем элиминаторов батарей была Galvin Manufacturing Corporation (позже известная как Motorola), основанная 25 сентября 1928 года Полом Галвином и его братом Джозефом Э. Галвином.

Зарядная установка для ноутбука

В ранних ноутбуках блоки питания были внутренними, как и в настольных компьютерах. Чтобы повысить портативность за счет экономии места и снижения веса, блоки питания стали внешними. Когда ноутбук работает от сети и одновременно заряжается, встроенная схема управления зарядкой использует остаточную электрическую мощность блока питания. Это позволяет питать компоненты устройства во время работы, не снижая при этом постоянную скорость зарядки.

Использование USB

USB-коннектор (и напряжение) стал де-факто стандартом для маломощных адаптеров переменного тока, используемых со многими портативными устройствами. Помимо последовательного цифрового обмена данными, стандарт USB также обеспечивает питание напряжением 5 В постоянного тока, до 500 мА (900 мА при использовании USB 3.0). Множество дополнительных устройств ("USB-аксессуары") были разработаны для подключения к USB исключительно для получения питания постоянным током, без обмена данными. В марте 2007 года USB Implementers Forum опубликовал спецификацию USB Battery Charging Specification, определяющую пределы, а также механизмы обнаружения, управления и отчетности, позволяющие устройствам потреблять ток, превышающий спецификацию USB 2.0, для целей зарядки. Электрические вентиляторы, лампы, сигнализации, подогреватели для кофе, зарядные устройства и даже игрушки были разработаны для питания от USB-коннектора. Широко доступны сетевые адаптеры, оснащенные USB-портами, для преобразования напряжения 120 В или 240 В переменного тока, или 12 В постоянного тока от автомобильной сети, в напряжение 5 В постоянного тока для USB-питания (см. фотографию справа). Стремление к более компактным электронным устройствам привело к переходу на разъемы Micro USB и Mini USB, которые электрически совместимы с оригинальным USB-коннектором, но имеют меньшие физические размеры. В 2012 году была предложена спецификация USB Power Delivery для стандартизации подачи питания мощностью до 100 Вт, подходящей для устройств, таких как ноутбуки, которые обычно используют собственные адаптеры.