Sekundární napájecí zdroj

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 6. října 2020; kontroly vyžadují 15 úprav .

Sekundární napájecí zdroj - zařízení, které převádí parametry elektrické energie hlavního zdroje napájení (například průmyslové sítě) na elektrickou energii s parametry nezbytnými pro provoz pomocných zařízení. Rozlišujte mezi stabilizovanými a nestabilizovanými sekundárními napájecími zdroji. [jeden]

Sekundární zdroj lze integrovat do celkového obvodu (obvykle u jednoduchých zařízení; nebo když je potřeba regulovat (nastavit, změnit) a stabilizovat napětí v určitém rozsahu, včetně dynamicky - např . základní desky různých počítačů mají vestavěné měniče napětí pro napájení CPU a dalších různých integrovaných obvodů , modulů a PU , nebo když je i mírný pokles napětí na napájecích vodičích nepřijatelný, vyrobené ve formě modulu ( napájení , napájecí stojan atd. ), nebo dokonce umístěn v samostatné místnosti ( napájecí dílna ).

Úlohy sekundárního napájení

Zajištění přenosu výkonu - zdroj musí zajistit přenos daného výkonu s co nejmenšími ztrátami a dodržením uvedených charakteristik na výstupu bez újmy na sobě. Obvykle se výkon zdroje energie bere s určitou rezervou.
Konverze průběhu napětí - přeměna střídavého napětí na stejnosměrné a naopak, dále frekvenční přeměna , tvorba napěťových impulsů atd. Nejčastěji je potřeba převádět frekvenční napětí střídavého napájení na stejnosměrné.
Převod velikosti napětí - nahoru i dolů. K napájení různých obvodů je často potřeba sada několika napětí různých velikostí.
Stabilizace - napětí, proud a další parametry na výstupu zdroje energie musí ležet v určitých mezích, v závislosti na jeho účelu, pod vlivem velkého množství destabilizujících faktorů: změny vstupního napětí, zatěžovacího proudu atd. Nejčastěji je nutná stabilizace napětí na zátěži, ale někdy (například pro nabíjení baterií) je nutná stabilizace proudu.
Ochrana - napětí nebo zatěžovací proud při poruše (např. zkratu ) některého obvodu může překročit přípustné limity a vyřadit spotřebič nebo samotný zdroj energie. V mnoha případech je také vyžadována ochrana proti průchodu proudu po nesprávné cestě: například průchod proudu zemí, když se osoba nebo cizí předmět dotkne živých částí.
Galvanické oddělení obvodů je jedním z opatření k ochraně proti toku proudu po nesprávné cestě.
Seřízení - během provozu může být nutné změnit jakékoli parametry pro zajištění správného chodu spotřebiče.
Ovládání - může zahrnovat seřizování, zapínání/vypínání libovolných obvodů nebo zdroje energie jako celku. Může být jak přímý (pomocí ovládacích prvků na skříni zařízení), tak vzdálený, stejně jako softwarový (zajištění / vypnutí, nastavení v určený čas nebo s nástupem jakékoli události).
Ovládání - zobrazení parametrů na vstupu a výstupu zdroje, zapínání / vypínání obvodů, činnost ochran. Může být také přímý nebo vzdálený.

Nejčastěji se sekundární zdroje energie potýkají s úkolem přeměnit elektřinu z průmyslové sítě střídavého proudu (například v Rusku - 240 V 50 Hz, v USA - 120 V 60 Hz).

Dvě nejtypičtější konstrukce jsou transformátor a spínané napájecí zdroje.

Transformátor

Klasický napájecí zdroj je transformátor PSU vyrobený podle lineárního schématu. V obecném případě se skládá z klesajícího transformátoru nebo autotransformátoru , ve kterém je primární vinutí navrženo pro síťové napětí . K sekundárnímu vinutí je připojen usměrňovač , který převádí střídavé napětí na stejnosměrné (pulzující jednosměrné). Ve většině případů se usměrňovač skládá ze čtyř diod tvořících diodový můstek (plnovlnný usměrňovač), méně často - z jedné diody (půlvlnný usměrňovač). Někdy se používají jiné obvody, například v usměrňovačích pro zdvojení napětí. Za usměrňovač je instalován filtr , který vyhlazuje oscilace (vlnění). Ve své nejjednodušší podobě je to velký kondenzátor .

Dále lze do obvodu instalovat vysokofrekvenční odrušovací filtry, bursts ( varistory ), ochranu proti zkratu (zkrat), stabilizátory napětí a proudu .

Rozměry transformátoru

Z 3. Maxwellovy rovnice, která je matematickým záznamem Faradayova zákona elektromagnetické indukce , vyplývá, že EMF indukované v jednom závitu vinutí, pokrývající časově proměnný magnetický tok , se rovná: $\textstyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t)),$ $E_1$ $\Phi$

E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}~.

Se sinusovou změnou pohledu: $\Phi$

\Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t)~,

kde:

\Phi _{0}

- hodnota amplitudy (maximální) ;

\Phi

\omega

je úhlová frekvence ;

t

- čas.

Z toho vyplývá:

E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

Magnetický tok souvisí s magnetickou indukcí [2] podle vzorce: $B$

\Phi =B\cdot S~,

kde je oblast cívky. $S$

S prakticky důležitou sinusovou změnou v transformátorech podle zákona: $B(t)$

B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t)~,

kde je amplituda (maximální) hodnota indukce v jádru ( magnetickém obvodu ) transformátoru. $B_{0}$

Proto je EMF jedné otáčky sekundárního vinutí v transformátorech, jejichž primární vinutí je napájeno sinusovým proudem a feromagnetický magnetický obvod nepřechází do magnetické saturace , vyjádřeno vzorcem:

E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

V praxi a ve výpočtech transformátorů se nejedná o amplitudu, ale o efektivní (efektivní) hodnotu EMF nebo napětí, která je v případě sinusové změny spojena s hodnotou amplitudy EMF výrazem:

E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}~.

Dosazení posledního vzorce do EMF výrazu pro jedno otočení a zohlednění toho

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $F$ - frekvence , máme základní vzorec pro výpočet počtu závitů vinutí transformátoru, protože EMF vinutí je přímo úměrné počtu závitů ve vinutí:

E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\cca 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f~,

kde je efektivní EMF jedné otáčky. ${\displaystyle E_{eff1))$

Výkon daný sekundárním vinutím transformátoru: $P$

P=U\cdot I~,

kde:

U

- napětí vinutí při zatížení;

já

- proud vinutím.

Protože maximální proud vinutí je omezen mezní hustotou proudu ve vodičích vinutí pro daný průřez a , z toho vyplývá, že pro zvýšení výkonu transformátoru bez změny jeho rozměrů je nutné zvýšit a/nebo . $U\sim E_{eff1}$ $B_{0}$ $F$

Výraznému nárůstu brání fenomén magnetického nasycení jádra. Při saturaci, ke které dochází při extrémech proudu primárního vinutí během periody, z čehož vyplývá, že: za prvé se sníží reaktance primárního vinutí, což způsobí zvýšení proudu naprázdno a zvýšení el. zahřívání vinutí v důsledku ohmického odporu a za druhé, hysterezní v důsledku magnetického obrácení magnetického obvodu, protože se zvětšuje plocha hysterezní smyčky, což způsobuje zvýšení tepelných ztrát v magnetickém obvodu. $B_{0}$

Z hlediska ztrát v magnetickém obvodu je nutné co nejvíce snížit maximální indukci v magnetickém obvodu ( ), ale tento přístup není ekonomicky proveditelný, protože za jinak stejných okolností zvětšuje rozměry a spotřeba materiálu transformátoru. Proto se v magnetickém obvodu volí na základě rozumného kompromisu a u transformátorů s nízkým výkonem přibývají a u výkonných transformátorů se snižují. To je způsobeno skutečností, že magnetické jádro malého transformátoru je chlazeno účinněji než u velkých transformátorů. Pro elektrooceli v průmyslových frekvenčních transformátorech volí mezi 1,1-1,35 T v transformátorech s výkonem do stovek W a od 0,7 do 1,0 T pro vysokovýkonové transformátory distribučních rozvoden. ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

Na základě aplikovaného praktického vzorce získaného dosazením do teoretické hodnoty EMF cívky dané hodnoty a frekvence 50 Hz : ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

E_{eff1}={\frac {S}{33...70}}~.

Zde vyjádřeno v cm 2 - ve voltech. Menší hodnoty jmenovatele se volí pro transformátory s nízkým výkonem, velké hodnoty pro výkonné. $S$ ${\displaystyle E_{eff1))$

Dalším způsobem, jak zvýšit výkon transformátoru, je zvýšení pracovní frekvence. Přibližně můžeme předpokládat, že pro danou velikost transformátoru je jeho výkon přímo úměrný pracovní frekvenci. Zvýšení frekvence faktorem při konstantním výkonu tedy umožňuje zmenšit velikost transformátoru faktorem (plocha průřezu magnetického obvodu se faktorem zmenšuje), respektive jeho hmotnost. faktorem . $k$ $\sim {\sqrt {k))$ $\sim k$ $\sim {\sqrt[{3/2}]{k))$

Zejména, a to i z těchto důvodů, se v silových palubních sítích letadel a lodí obvykle používá frekvence 400 Hz s napětím 115 V.

Zvýšení frekvence však zhoršuje magnetické vlastnosti magnetických obvodů, zejména v důsledku zvýšení hysterezních ztrát, proto se při pracovních frekvencích nad několik kHz používají ferodielektrické magnetické obvody transformátorů, například feritové nebo vyrobené z karbonylového železa.

Moderní zdroje sekundárního napájení různých domácích spotřebičů, počítačů, tiskáren atd. jsou dnes ve většině případů prováděny podle schémat pulzních zdrojů a téměř zcela nahradily klasické transformátory. U takových zdrojů je galvanické oddělení napájecího obvodu a napájecí sítě, získání sady potřebných sekundárních napětí, provedeno pomocí vysokofrekvenčních transformátorů s feritovými jádry. Zdrojem vysokofrekvenčního napětí jsou obvody pulzních klíčů s polovodičovými klíči, obvykle tranzistorovými . Použití takových zařízení, často nazývaných invertory , umožňuje mnohonásobně snížit hmotnost a rozměry zařízení a dále zlepšit kvalitu a spolehlivost napájení, protože pulzní zdroje jsou méně kritické pro kvalitu napájení. v primární síti - jsou méně citlivé na rázy a poklesy síťového napětí a změny jeho frekvence.

Výhody a nevýhody

Výhody transformátorových zdrojů.

Jednoduchost designu.
Spolehlivost .
Méně citlivé na přepětí v síti: aby se takové napájení vyřadilo, musí impuls poškodit otočnou izolaci síťového transformátoru.
Absence rádiového rušení [poznámka 1] (na rozdíl od pulzního rušení způsobeného harmonickými složkami [3] ).

Nevýhody transformátorových zdrojů.

Velká hmotnost a rozměry v poměru k výkonu.
Kompromis mezi sníženou účinností a stabilitou výstupního napětí: pro zajištění stabilního napětí je vyžadován regulátor, který přináší dodatečné ztráty.

Aplikace

Lineární napájecí zdroje jsou široce používány v různých elektrických spotřebičích nízkého napětí. Hovorově jsou často označovány jako napájecí adaptéry nebo jednoduše adaptéry. Nabíječky mají podobnou konstrukci a lze je použít i jako napájecí zdroje.

Spínaný zdroj

Spínané zdroje jsou invertorový systém . U spínaných zdrojů se nejprve usměrní vstupní střídavé napětí. Výsledné stejnosměrné napětí se převádí na obdélníkové impulsy zvýšené frekvence a určitého pracovního cyklu , buď přiváděné do transformátoru (v případě impulsních zdrojů s galvanickým oddělením od sítě) nebo přímo na výstupní dolní propust (v impulsním napájecí zdroje bez galvanického oddělení). V pulzních zdrojích lze použít transformátory malých rozměrů - je to dáno tím, že s rostoucí frekvencí roste účinnost transformátoru a klesají požadavky na rozměry (průřez) jádra potřebné pro přenos ekvivalentního výkonu. Ve většině případů může být takové jádro vyrobeno z feromagnetických materiálů, na rozdíl od jader nízkofrekvenčních transformátorů, které používají elektrotechnickou ocel.

U spínaných zdrojů je stabilizace napětí zajištěna zápornou zpětnou vazbou . Zpětná vazba umožňuje udržovat výstupní napětí na relativně konstantní úrovni bez ohledu na kolísání vstupního napětí a zatížení. Zpětnou vazbu lze organizovat různými způsoby. V případě impulsních zdrojů s galvanickým oddělením od sítě je nejběžnější způsob komunikace přes jedno z výstupních vinutí transformátoru nebo pomocí optočlenu . V závislosti na velikosti zpětnovazebního signálu (v závislosti na výstupním napětí) se mění pracovní cyklus pulzů na výstupu PWM regulátoru . Pokud není vyžadováno oddělení, pak se obecně používá jednoduchý odporový dělič napětí . Napájecí zdroj tak udržuje stabilní výstupní napětí.

Výhody a nevýhody

Výhody spínaných zdrojů

Odpovídající spínací regulátory, srovnatelné výstupním výkonem s lineárními stabilizátory, mají následující hlavní výhody:

menší hmotnost díky tomu, že s rostoucí frekvencí je možné použít menší transformátory se stejným přenášeným výkonem. Hmotu lineárních stabilizátorů tvoří především výkonné těžké nízkofrekvenční výkonové transformátory a výkonné zářiče výkonových prvků pracujících v lineárním režimu. Navíc se vlivem zvýšené konverzní frekvence výrazně zmenšují rozměry filtru výstupního napětí (lze použít kondenzátory mnohem menší kapacity než u usměrňovačů pracujících na průmyslové frekvenci). Samotný usměrňovač může být vyroben podle nejjednoduššího půlvlnného obvodu bez rizika zvýšení zvlnění výstupního napětí;
výrazně vyšší účinnost (až 90-98%) vzhledem k tomu, že hlavní ztráty ve spínacích regulátorech jsou spojeny s přechodovými jevy v okamžicích spínání klíčového prvku. Protože jsou klíčové prvky většinu času v jednom ze stabilních stavů (to znamená buď zapnuto nebo vypnuto), energetické ztráty jsou minimální [4] ;
- z toho přímo vyplývá, že při stejném zapojení a základně prvků se účinnost zvyšuje s poklesem konverzní frekvence, protože přechodové procesy zabírají úměrně menší část času. Současně však rostou rozměry vinutých prvků - ale také to dává zisk, kvůli poklesu ohmických ztrát.
nižší náklady díky hromadné výrobě jednotné základny prvků a vývoji klíčových vysoce výkonných tranzistorů. Dále je třeba poznamenat výrazně nižší cenu pulzních transformátorů se srovnatelným přenášeným výkonem a možnost použití méně výkonných výkonových prvků, protože jejich způsob provozu je klíčový;
spolehlivost srovnatelná s lineárními stabilizátory .
Napájecí zdroje pro výpočetní techniku, kancelářskou techniku a většinu spotřební elektroniky jsou téměř výhradně pulzní ("černá" spotřební elektronika, jako jsou televizory a přehrávače, má zpravidla pulzní napájecí zdroj s plnou galvanickou izolací a optočlenem). Lineární BP přežily hlavně pouze v následujících oblastech:
- pro napájení slaboproudých řídicích desek domácích spotřebičů, jako jsou pračky, mikrovlnné trouby a topné kotle a reproduktory. Současně je použit napájecí zdroj slaboproudé řídicí desky pro myčky a myčky Electrolux / Zanussi / AEG (tyto tři položky jsou příkladem rebrandingu, technicky jsou produkty stejné a mají vyměnitelné opravné jednotky a náhradní díly) vzorek kolem roku 2010 - pulzní, stejně jako PSU slaboproudých kávovarů Philips Saeco. Tyto pulzní napájecí zdroje nemají galvanické oddělení („nula“ a někdy je dokonce „fáze“ kabelu 220V vstupujícího ze zástrčky „uzemněním obvodu“ slaboproudého obvodu, kombinací „fáze“ s "nízkoproudé uzemnění" se provádí za účelem zjednodušení řídicích obvodů relé / triaku a zamezení přívodu nespínané "fáze" do mechanických součástí výrobku, což snižuje elektrickou bezpečnost - pouze "nula" a "fáze za relé / triak" jsou dodávány k mechanickým součástem, při sepnutém relé / triaku je nemožný životu nebezpečný zásah elektrickým proudem), aby se ušetřilo na optočlenu, a zabírají plochu na desce srovnatelnou s velikostí zapalovače cigaret. Zdroj pro slaboproudou část topných kotlů Buderus Logamax (s deskou UBA H3) - klasický lineární, s velkým transformátorem a plně galvanickým oddělením strany 220V s malým proudem přes 3 optočleny (ovládání motoru odsavače, ovládání motor oběhového čerpadla a odečítání z ionizační elektrody pro řízení plamene - obvod spojený s touto elektrodou je na straně 220V, navíc úspora na detailech a zjednodušení tohoto konkrétního obvodu vede k „fázové závislosti“ kotle - ano NEZÁLEŽÍ na tom, na které straně je jeho 220V zástrčka zapojena do elektrické zásuvky, protože nejjednodušší jednotranzistorový obvod IEKP vyžaduje, aby do elektrody bylo přiváděno přesně 220V, a nikoli „nula“, vzhledem k „žlutozelené zemi“. ").
- pro nízkopříkonová řídicí zařízení s vysokou a ultra vysokou spolehlivostí, určená pro mnohaletý nepřetržitý provoz bez údržby nebo náročné údržby, jako jsou digitální voltmetry v elektrických panelech nebo automatizace výrobních procesů,
- k napájení kvalitních nízkofrekvenčních zesilovačů (ULF).
široký rozsah napájecího napětí a frekvence, nedosažitelný za srovnatelnou cenu lineární. V praxi to znamená možnost použití stejného spínaného zdroje pro nositelnou digitální elektroniku v různých zemích světa - Rusko / USA / Anglie, které se ve standardních zásuvkách velmi liší napětím a frekvencí.
přítomnost ve většině moderních PSU vestavěných ochranných obvodů z různých nepředvídaných situací, například ze zkratu a z nedostatku zátěže na výstupu.

Nevýhody spínaných zdrojů

Provoz hlavní části obvodu bez galvanického oddělení od sítě, což zejména poněkud ztěžuje opravy takových napájecích zdrojů.
Všechny spínané zdroje jsou bez výjimky zdrojem vysokofrekvenčního rušení , protože je to způsobeno samotným principem jejich činnosti. Proto je nutné provést dodatečná opatření pro odrušení, která často rušení zcela neodstraní. V tomto ohledu je použití pulzních napájecích zdrojů pro určité typy zařízení často nepřijatelné [3] .
Spínané zdroje mají zpravidla limit na minimální výkon zátěže. Pokud je výkon zátěže pod minimem, zdroj se buď nerozběhne, nebo parametry výstupního napětí (hodnota, stabilita) nemusí spadat do povolených odchylek.
V distribuovaných energetických systémech: vliv násobků tří harmonických . V přítomnosti účinných korektorů účiníku a filtrů ve vstupních obvodech tato nevýhoda obvykle není relevantní.

Viz také

Literatura

Veresov GP Napájení domácích radioelektronických zařízení . - M . : Rozhlas a komunikace, 1983. - S. 5. - 128 s. — 60 000 výtisků. Archivováno 27. července 2009 na Wayback Machine
Kitaev VV aj. Napájení komunikačních zařízení . - M .: Komunikace, 1975. - 328 s. — 24 000 výtisků. Archivováno 17. března 2013 na Wayback Machine
Bityukov V.K. Simachkov D.S. Zdroje sekundárního napájení. M. _ - Infra-Engineering, 2017. - 326 s. - ISBN 978-5-9729-0171-5 .
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Napájecí zdroje pro elektronická zařízení. Obvod a design: učebnice pro střední školy. - 2. - M . : Horká linka - Telecom, 2001. - 344 s. - 3000 výtisků. — ISBN 5-93517-052-3 .

Odkazy

Veresov G.P. Napájení domácích radioelektronických zařízení - M. Rádio a komunikace, 1983
Kitaev V. E., Bokunyaev A. A. Napájení komunikačních zařízení - M., Svyaz, 1975
NAPÁJENÍ: spínané nebo lineární? Výhody a nevýhody
Gurevich V. I. Sekundární zdroje energie: anatomie a aplikační zkušenosti - "Elektrotechnický trh", 2009, č. 1 (25), s. 50-54

Poznámky

Komentáře

↑ U výkonných transformátorových zdrojů však dochází k impulznímu šumu v důsledku toho, že proud protékající usměrňovacími diodami (a sekundárním vinutím transformátoru) má podobu krátkých pulzů, protože dioda není otevřená celou polovinu. -cyklu, ale krátkodobě blízko maxima sinusoidy, kdy okamžitá hodnota střídavého napětí na sekundárním vinutí překročí stejnosměrné napětí na nádrži filtru).

Prameny

↑ Sekundární napájecí zdroj // Výkonová elektronika: stručný encyklopedický slovník pojmů a definic - M .: MPEI Publishing House, 2008
↑ Zde máme na mysli průměrnou indukci v obvodu, který obklopuje cívku. V rovnoměrném magnetickém poli, jehož indukční vektor je kolmý k rovině cívky - právě velikost indukce.
↑ 1 2 Spínané zdroje . Získáno 17. června 2015. Archivováno z originálu 17. června 2015. (neurčitý)
↑ Porovnání lineárních a spínaných zdrojů . Získáno 17. června 2015. Archivováno z originálu 9. května 2015. (neurčitý)