Введение

Электронное устройство, преобразующее или регулирующее электрическую энергию и подающее ее на нагрузку.

Источник питания – это электрическое устройство, обеспечивающее электрической энергией электрическую нагрузку. Основная задача источника питания – преобразование электрического тока из источника в необходимое напряжение, силу тока и частоту для питания нагрузки. Поэтому источники питания иногда называют преобразователями электрической энергии. Некоторые источники питания представляют собой отдельные, автономные устройства, в то время как другие встроены в приборы, которые они питают. Примерами последних являются блоки питания в настольных компьютерах и бытовой электронике. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасного уровня, отключение тока при возникновении электрической неисправности, стабилизацию питания для предотвращения попадания электронных помех или скачков напряжения со входа на нагрузку, коррекцию коэффициента мощности и накопление энергии для продолжения питания нагрузки при кратковременном отключении основного источника питания (источник бесперебойного питания). Все источники питания имеют входное соединение, принимающее энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько выходных соединений (или шин), подающих ток на нагрузку. Источником энергии может служить электрическая сеть, например, электрическая розетка, накопители энергии, такие как аккумуляторы или топливные элементы, генераторы или альтернаторы, преобразователи солнечной энергии или другой источник питания. Вход и выход обычно представляют собой жесткие проводные соединения, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания нагрузки без проводного подключения. Некоторые источники питания также имеют другие типы входов и выходов для внешнего мониторинга и управления.

Функциональные

Источники питания классифицируются различными способами, в том числе по функциональным особенностям. Например, стабилизированный источник питания поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. В отличие от него, выходное напряжение не стабилизированного источника питания может существенно изменяться при изменении входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических органов управления (например, ручек на передней панели источника питания) или посредством управляющего входа, или и тем, и другим. Стабилизированный регулируемый источник питания сочетает в себе возможность регулировки и стабилизации. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, электрически независимую от входной; это отличает его от других источников питания, имеющих общее соединение между входом и выходом.

Упаковка

Электропитатели упаковываются различными способами и классифицируются соответственно. Лабораторный блок питания – это автономное настольное устройство, используемое в таких приложениях, как тестирование и разработка схем. Источники питания открытого типа имеют лишь частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажной пластыни; они обычно встраиваются в станки или другое оборудование. Источники питания для монтажа в стойку предназначены для крепления в стандартные стойки для электронного оборудования. Интегрированный источник питания использует общую печатную плату со своей нагрузкой. Внешний источник питания, адаптер переменного тока или сетевой адаптер – это источник питания, расположенный в сетевом шнуре нагрузки, который подключается к розетке; сетевая вилка с встроенным блоком питания – это внешний источник питания, интегрированный непосредственно с вилкой розетки. Они популярны в бытовой электронике благодаря своей безопасности: опасное напряжение сети 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение до поступления в корпус прибора.

Метод преобразования мощности

Электропитание можно разделить на линейные и импульсные типы. Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все активные компоненты преобразования мощности работают в своих линейных режимах. В импульсных преобразователях мощности входная мощность преобразуется в переменный или постоянный ток в виде импульсов перед обработкой, компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторы, которые большую часть времени находятся в состоянии отсечки или насыщения). Мощность "теряется" (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в своих линейных режимах, и, следовательно, импульсные преобразователи обычно более эффективны, чем линейные, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных режимах работы.

Точные источники питания

Блок питания переменного тока преобразует входное напряжение переменного тока в выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от требований приложения выходное напряжение может содержать значительное или незначительное количество составляющих переменного тока, известных как пульсации напряжения, которые связаны с частотой входного напряжения переменного тока и принципом работы блока питания. Блок питания, работающий от входного напряжения постоянного тока, называется преобразователем постоянного тока в постоянный ток. В данном разделе основное внимание уделяется варианту с преобразованием переменного тока.

Линейный источник питания

В линейном блоке питания входное напряжение переменного тока проходит через силовой трансформатор, а затем выпрямляется и фильтруется для получения напряжения постоянного тока. Фильтрация уменьшает амплитуду пульсаций частоты сети переменного тока, присутствующих на выходе выпрямителя, и может быть реализована как простым конденсатором, так и более сложной схемой, например, пи-фильтром. Допустимый уровень пульсаций для электрической нагрузки определяет минимальную степень фильтрации, которую должен обеспечивать блок питания. В некоторых приложениях пульсации можно полностью игнорировать. Например, в некоторых схемах зарядки аккумуляторов блок питания состоит только из трансформатора и диода, с простым резистором на выходе блока питания для ограничения тока зарядки.

Электроснабжение в переключенном режиме

В импульсном источнике питания (SMPS) входное напряжение переменного тока напрямую выпрямляется и затем фильтруется для получения напряжения постоянного тока. Полученное напряжение постоянного тока затем включается и выключается на высокой частоте электронными коммутирующими схемами, создавая таким образом переменный ток, который проходит через высокочастотный трансформатор или индуктор. Коммутация происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц — 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и фильтрующие конденсаторы, значительно меньшие, легче и дешевле, чем в линейных источниках питания, работающих на частоте сети. После вторичной обмотки индуктора или трансформатора высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если в SMPS используется адекватно изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети; эта функция часто необходима для обеспечения безопасности. Импульсные источники питания обычно стабилизированы, и для поддержания постоянного выходного напряжения источник питания использует контроллер обратной связи, который контролирует ток, потребляемый нагрузкой. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) увеличивается с ростом требований к выходной мощности. SMPS часто включают в себя функции защиты, такие как ограничение тока или схема защиты от перенапряжения, для защиты устройства и пользователя от повреждений. В случае обнаружения аномально высокого потребления тока, импульсный источник питания может предположить наличие прямого короткого замыкания и отключится до возникновения повреждений. Блоки питания для ПК часто подают сигнал "Power Good" на материнскую плату; отсутствие этого сигнала предотвращает работу при наличии ненормальных напряжений питания. Некоторые SMPS имеют абсолютный предел минимального выходного тока. Они способны выдавать мощность только выше определенного уровня и не могут функционировать ниже этого уровня. В режиме холостого хода частота цепи преобразования мощности увеличивается до высоких значений, заставляя изолированный трансформатор действовать как катушка Тесла, вызывая повреждения из-за возникающих очень высоких импульсов напряжения. Импульсные источники питания с защитными схемами могут кратковременно включаться, но затем отключаются при отсутствии нагрузки. К источнику питания можно подключить небольшую нагрузку-муляж, например, керамический силовой резистор или 10-ваттную лампу накаливания, чтобы он мог работать без основной нагрузки. Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкий коэффициент мощности и также были значительными источниками сетевых помех (из-за индуцированных гармоник и переходных процессов в сети). В простых импульсных источниках питания входной каскад может искажать форму сигнала сетевого напряжения, что может негативно повлиять на другие нагрузки (и привести к ухудшению качества электроэнергии для других потребителей) и вызвать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования. Кроме того, потребители несут более высокие расходы на электроэнергию при работе с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Для решения этих проблем некоторые компьютерные импульсные источники питания выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные каскады коммутации для уменьшения сетевых помех.

Кабельный источник питания

В емкостном источнике питания (бестрансформаторном источнике питания) используется реактивное сопротивление конденсатора для снижения сетевого напряжения до более низкого напряжения переменного тока. Как правило, полученное пониженное напряжение переменного тока затем выпрямляется, фильтруется и стабилизируется для получения постоянного выходного напряжения. Выходное напряжение не гальванически изолировано от сети. Следовательно, для предотвращения поражения людей и повреждения оборудования опасным высоким напряжением, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано. Конденсатор, обеспечивающий снижение напряжения, должен выдерживать полное сетевое напряжение, а также обладать достаточной емкостью для обеспечения максимального тока нагрузки при заявленном выходном напряжении. В совокупности эти ограничения сужают область практического применения данного типа источников питания до маломощных устройств.

Линейный регулятор

Функция линейного стабилизатора напряжения заключается в преобразовании изменяющегося напряжения постоянного тока в постоянное, часто заданное, более низкое напряжение постоянного тока. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от перегрузки по току (избыточного, потенциально разрушительного тока). Постоянное выходное напряжение требуется во многих приложениях электропитания, но напряжение, предоставляемое многими источниками энергии, будет изменяться при изменении импеданса нагрузки. Более того, если источником энергии является нерегулируемый источник питания постоянного тока, его выходное напряжение также будет изменяться при изменении входного напряжения. Для решения этой проблемы некоторые источники питания используют линейный стабилизатор напряжения для поддержания выходного напряжения на стабильном уровне, независимо от колебаний входного напряжения и импеданса нагрузки. Линейные стабилизаторы также могут уменьшить уровень пульсаций и шума на выходном напряжении.

Точные источники питания переменного тока

Источник переменного тока обычно берет напряжение из розетки (сетевого питания) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до требуемого значения. Также может производиться некоторая фильтрация. В некоторых случаях входное напряжение равно выходному; это называется разделительным трансформатором. Другие трансформаторы переменного тока не обеспечивают гальваническую развязку от сети; они называются автотрансформаторами; автотрансформатор с регулируемым выходным напряжением известен как латотрон. Другие типы источников переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока, при этом выходное напряжение может изменяться в зависимости от импеданса нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильный аккумулятор), для преобразования его в переменный ток могут использоваться инвертор и повышающий трансформатор. Портативное питание переменным током может обеспечиваться генератором, приводимым в действие дизельным или бензиновым двигателем (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или для резервного электроснабжения служб экстренного реагирования), ток которого поступает в схему регулятора для обеспечения стабильного выходного напряжения. Некоторые виды преобразования переменного тока не используют трансформатор. Если выходное и входное напряжения одинаковы, а основная задача устройства – фильтрация переменного тока, его можно назвать сетевым фильтром (или стабилизатором сети). Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания. Схема может быть разработана с использованием топологии умножителя напряжения для непосредственного повышения переменного тока; ранее такое применение было распространено в вакуумных радиоприемниках переменного/постоянного тока. В современных условиях источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты, помимо напряжения; производители часто используют их для проверки пригодности своей продукции для использования в других странах, например, 230 В, 50 Гц или 115 В, 60 Гц, или даже 400 Гц для испытаний авиационного оборудования.

Адаптер переменного тока

Адаптер переменного тока — это блок питания, встроенный в вилку сети переменного тока. Адаптеры переменного тока также известны под разными названиями, такими как "сетевой блок питания", "внешний адаптер питания" или, в разговорной речи, "бородавка". Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по жесткому кабелю к разъему, но некоторые адаптеры имеют несколько выходов, передаваемых по одному или нескольким кабелям. "Универсальные" адаптеры переменного тока оснащены сменными вилками для разных напряжений сети переменного тока. Адаптеры с выходом переменного тока могут состоять только из пассивного трансформатора; в случае выхода постоянного тока адаптеры состоят либо из трансформатора с несколькими диодами и конденсаторами, либо используют схему импульсного источника питания. Адаптеры переменного тока потребляют электроэнергию (и создают электрические и магнитные поля), даже когда не подключены к нагрузке; поэтому их иногда называют "похитителями электроэнергии" и подключают к сетевым фильтрам для удобного включения и выключения.

Бесперебойное электроснабжение

Бесперебойный источник питания (БПУ) получает электроэнергию из двух или более источников одновременно. Обычно он питается непосредственно от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумуляторную батарею. В случае пропадания или сбоя в сети, батарея немедленно берет на себя питание, чтобы нагрузка не испытывала перерыва в электроснабжении. Под "немедленно" здесь следует понимать скорость распространения электричества в проводниках, близкую к скорости света. Это определение важно, поскольку передача высокоскоростных данных и услуг связи требует непрерывности и отсутствия разрыва обслуживания. Некоторые производители используют условный стандарт в 4 миллисекунды. Однако для высокоскоростных данных даже 4 мс времени переключения между источниками недостаточно. Переключение должно осуществляться по принципу "разрыв перед соединением". БПУ, отвечающий этому требованию, называется Истинным или Гибридным БПУ. Продолжительность работы БПУ, как правило, определяется емкостью аккумуляторных батарей и, в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от минимальных 5-15 минут до нескольких часов или даже дней. Во многих компьютерных системах этого времени хватает операторам для корректного завершения работы системы. Другие схемы БПУ могут использовать двигатель внутреннего сгорания или турбину для обеспечения питания во время отключения электроэнергии, а время работы от батареи зависит от времени запуска генератора и критичности обслуживаемого оборудования. Такие схемы применяются в больницах, центрах обработки данных, колл-центрах, базовых станциях сотовой связи и центральных телефонных узлах.

Высоковольтный источник питания

Высоковольтный источник питания – это источник, выдающий сотни или тысячи вольт. Для предотвращения возникновения дуги, пробоя изоляции и случайного контакта человека используется специальный выходной разъем. Коннекторы Federal Standard обычно применяются для оборудования, работающего с напряжением выше 20 кВ, хотя для более низких напряжений могут использоваться и другие типы коннекторов (например, SHV-коннектор). Некоторые высоковольтные источники питания оснащены аналоговым входом или цифровым интерфейсом связи для управления выходным напряжением. Высоковольтные источники питания широко используются для ускорения и управления электронными и ионными пучками в оборудовании, таком как рентгеновские генераторы, электронные микроскопы и колонны сфокусированного ионного пучка, а также в различных других областях применения, включая электрофорез и электростатику. Как правило, большая часть входной энергии высоковольтного источника питания направляется в преобразователь мощности (инвертор), который, в свою очередь, управляет умножителем напряжения или высоковольтным трансформатором с высоким коэффициентом трансформации, либо и тем, и другим (обычно трансформатором, за которым следует умножитель) для получения высокого напряжения. Высокое напряжение выводится из источника питания через специальный разъем и также подается на делитель напряжения, который преобразует его в низковольтный измерительный сигнал, совместимый с низковольтной схемой. Этот измерительный сигнал используется контроллером с обратной связью для регулирования высокого напряжения путем управления входной мощностью инвертора, и он также может быть выведен из источника питания для внешнего мониторинга выходного высокого напряжения.

Биполярное питание

Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах плоскости вольтамперных характеристик, то есть генерирует как положительные, так и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания стабилизации. При управлении его выходным сигналом посредством аналогового сигнала низкого уровня, он фактически представляет собой операционный усилитель с низкой полосой пропускания, высокой выходной мощностью и плавным прохождением через ноль. Этот тип источника питания широко используется для питания магнитных устройств в научных приложениях.

Тепловое управление

Электрическая система питания склонна к выделению тепла. Чем выше эффективность, тем меньше тепла выделяет блок питания. Существует множество способов управления тепловыделением блока питания. Методы охлаждения обычно делятся на две категории: конвекцию и теплопроводность. Распространенные методы конвективного охлаждения электронных блоков питания включают естественную циркуляцию воздуха, принудительную циркуляцию воздуха или циркуляцию других жидкостей через блок. Распространенные методы охлаждения посредством теплопроводности включают радиаторы, теплоотводы и термопасты.

Защита от перегрузки

Блоки питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить блок питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели – два распространенных механизма защиты от перегрузки. Предохранитель содержит короткий отрезок проволоки, который плавится при превышении допустимого тока. Это эффективно отключает блок питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена причина перегрузки и предохранитель не будет заменен. Некоторые блоки питания используют тонкую проволочную перемычку, припаянную в качестве предохранителя. Предохранители в блоках питания могут заменяться пользователем, но для доступа и замены предохранителей в потребительском оборудовании могут потребоваться инструменты. Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревается, изгибается и приводит в действие пружину, отключающую цепь. После остывания элемента и устранения проблемы выключатель можно вернуть в исходное положение, и питание восстановится. Некоторые блоки питания используют тепловой предохранитель, встроенный в трансформатор, вместо предохранителя. Преимущество заключается в том, что он позволяет кратковременно потреблять больший ток, чем блок питания может обеспечить непрерывно. Некоторые такие предохранители автоматически восстанавливаются, другие предназначены для однократного использования.

Ограничение тока

Некоторые блоки питания используют ограничение тока вместо полного отключения питания при перегрузке. Существуют два типа ограничения тока: электронное и ограничение по импедансу. Первый тип часто применяется в лабораторных блоках питания, второй – в блоках питания мощностью менее 3 Вт. Ограничитель тока с обратной характеристикой снижает выходной ток до значения, значительно меньшего максимального тока в нормальном режиме.

Приложения

Блоки питания являются фундаментальным компонентом многих электронных устройств и, следовательно, используются в широком спектре приложений. Этот список – лишь небольшая часть многочисленных областей применения блоков питания.

Компьютеры

Современный компьютерный блок питания – это импульсный источник питания, который преобразует переменный ток из электросети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные источники питания заменили линейные источники питания благодаря снижению стоимости, уменьшению веса и габаритов, а также повышению эффективности. Разнообразие выходных напряжений также характеризуется широким диапазоном требований к потребляемому току.

Электрические транспортные средства

Электрические транспортные средства – это транспортные средства, работающие на энергии, полученной в результате выработки электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования энергии от высоковольтной батареи транспортного средства.

Сварка

В дуговой сварке используется электричество для соединения металлов путем их расплавления. Электричество подается сварочным источником питания и может быть переменным (AC) или постоянным (DC). Дуговая сварка требует высоких токов, обычно в диапазоне от 100 до 350 ампер. Некоторые виды сварки могут использовать всего 10 ампер, а в некоторых применениях точечной сварки используются токи до 60 000 ампер на очень короткое время. Сварочные источники питания ранее состояли из трансформаторов или двигателей, приводящих генераторы; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать в себя микропроцессорное управление.

Самолет

Как коммерческие, так и военные авиационные системы нуждаются либо в DC-DC, либо в AC/DC преобразователе питания для преобразования энергии в полезное напряжение. Для снижения веса они часто работают на частоте 400 Гц.

Автоматизация

Это относится к конвейерам, сборочным линиям, сканерам штрих-кодов, камерам, двигателям, насосам, полуфабрикатам и многому другому.

Медицинская

К ним относятся аппараты искусственной вентиляции легких, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, оборудование для визуализации и больничные кровати.