Вторичный источник питания. Вторичные источники электропитания: виды, принципы работы и особенности

Что такое вторичный источник электропитания. Какие бывают виды вторичных источников питания. Как работают трансформаторные и импульсные блоки питания. Каковы их преимущества и недостатки.

Что такое вторичный источник электропитания

Вторичный источник электропитания — это устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, тока, частоты) с целью обеспечения питания различных электронных устройств и приборов. Он получает энергию от первичного источника (например, электросети) и преобразует ее в соответствии с требованиями питаемого оборудования.

Основные задачи вторичного источника питания:

• Преобразование напряжения (понижение или повышение)
• Выпрямление переменного тока в постоянный
• Стабилизация выходного напряжения
• Фильтрация помех и пульсаций
• Защита от перегрузок и коротких замыканий
• Гальваническая развязка входных и выходных цепей

Виды вторичных источников питания

Существует два основных типа вторичных источников питания:

1. Трансформаторные (линейные) блоки питания

Принцип работы основан на использовании понижающего трансформатора. Основные элементы:

• Трансформатор
• Выпрямитель
• Сглаживающий фильтр
• Стабилизатор напряжения

2. Импульсные блоки питания

Работают на основе высокочастотного преобразования энергии. Основные узлы:

• Входной выпрямитель
• Высокочастотный преобразователь
• Импульсный трансформатор
• Выходной выпрямитель
• Схема управления и обратной связи

Принцип работы трансформаторного блока питания

Трансформаторный блок питания преобразует входное сетевое напряжение в требуемое выходное напряжение в несколько этапов:

1. Понижение напряжения с помощью трансформатора
2. Выпрямление переменного тока с помощью диодного моста
3. Сглаживание пульсаций с помощью конденсаторов
4. Стабилизация напряжения линейным стабилизатором

Как работает трансформаторный блок питания:

• Входное переменное напряжение 220В подается на первичную обмотку трансформатора
• На вторичной обмотке формируется пониженное напряжение (например, 12В)
• Диодный мост выпрямляет переменное напряжение в пульсирующее постоянное
• Конденсатор большой емкости сглаживает пульсации
• Стабилизатор обеспечивает постоянство выходного напряжения

Особенности импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания имеют ряд существенных отличий от трансформаторных:

• Используют высокочастотное преобразование энергии (десятки-сотни кГц)
• Имеют меньшие габариты и вес при той же мощности
• Обладают более высоким КПД (до 90-95%)
• Обеспечивают лучшую стабилизацию напряжения
• Могут работать в широком диапазоне входных напряжений

Принцип работы импульсного блока питания:

1. Входное напряжение выпрямляется
2. Полученное постоянное напряжение «рубится» на высокочастотные импульсы
3. Импульсы подаются на высокочастотный трансформатор
4. Выходное напряжение трансформатора выпрямляется и фильтруется
5. Система обратной связи обеспечивает стабилизацию

Преимущества и недостатки трансформаторных блоков питания

Трансформаторные блоки питания имеют как достоинства, так и недостатки по сравнению с импульсными.

Преимущества:

• Простота конструкции и ремонтопригодность
• Высокая надежность
• Низкий уровень электромагнитных помех
• Хорошая помехозащищенность
• Невысокая стоимость для маломощных блоков

Недостатки:

• Большие габариты и вес
• Низкий КПД (60-70%)
• Узкий диапазон входных напряжений
• Плохая стабилизация при колебаниях нагрузки
• Высокая стоимость мощных блоков питания

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Импульсные источники питания также обладают рядом преимуществ и некоторыми недостатками.

Достоинства:

• Малые габариты и вес
• Высокий КПД (до 90-95%)
• Широкий диапазон входных напряжений
• Хорошая стабилизация выходного напряжения
• Возможность получения нескольких выходных напряжений

Недостатки:

• Сложность схемотехники
• Высокий уровень электромагнитных помех
• Чувствительность к перегрузкам
• Сложность ремонта
• Более высокая стоимость маломощных блоков

Применение вторичных источников питания

Вторичные источники питания находят широкое применение в различных областях техники и электроники:

• Бытовая электроника (телевизоры, аудиосистемы, компьютеры)
• Промышленное оборудование
• Системы автоматики и управления
• Телекоммуникационное оборудование
• Медицинская техника
• Светодиодное освещение
• Зарядные устройства для аккумуляторов

Выбор типа источника питания

При выборе между трансформаторным и импульсным блоком питания следует учитывать ряд факторов:

• Требуемая выходная мощность
• Габаритные ограничения
• Необходимость стабилизации напряжения
• Уровень допустимых электромагнитных помех
• Диапазон входных напряжений
• Стоимость
• Требования к надежности

Для маломощных устройств (до 10-20 Вт) часто используются трансформаторные блоки питания из-за их простоты и низкой стоимости. Для более мощных применений (свыше 50-100 Вт) предпочтительнее импульсные источники питания благодаря их высокому КПД и малым габаритам.

Перспективы развития вторичных источников питания

Основные направления совершенствования вторичных источников питания:

• Повышение КПД и снижение потерь энергии
• Уменьшение габаритов и веса
• Улучшение электромагнитной совместимости
• Повышение надежности и срока службы
• Снижение стоимости при сохранении характеристик
• Разработка «умных» источников питания с возможностью управления

Развитие технологий силовой электроники и появление новых материалов позволяет создавать все более совершенные источники вторичного электропитания, отвечающие современным требованиям энергоэффективности и миниатюризации.

Вторичный источник электропитания | это… Что такое Вторичный источник электропитания?

Промышленные модули электропитания Siemens SITOP Power. Нижний правый — БП для AS-i интерфейса

Вторичный источник электропитания — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания^[1]. Согласно ГОСТ Р 52907-2008 слово «вторичный» опускается

[2].

Источник электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах — например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и т. д.), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Содержание 1 Задачи вторичного источника питания 2 Трансформаторный (сетевой) источник питания 2.1 Габариты трансформатора 2.2 Достоинства и недостатки 3 Импульсный источник питания 3.1 Достоинства и недостатки 4 См. также 5 Примечания 6 Литература 7 Ссылки

Задачи вторичного источника питания

• Обеспечение передачи мощности — источник питания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и т. д. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (напр., в России — 220 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Трансформаторный блок питания

Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов электротехники (и даже уравнений Максвелла):

(1 / n) ~ f × S × B

где n — число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного потока, поток есть нечто в виде sin (f × t)), f — частота переменного напряжения, S — площадь сечения магнитопровода, B — индукция магнитного поля в нем. Формула описывает амплитуду B, а не мгновенное значение.

Величина B на практике ограничена сверху возникновением гистерезиса в сердечнике, что приводит к потерям на перемагничивание и перегреву трансформатора.

Если принять, что f есть частота сети (50 Гц), то единственные два параметра, доступные для выбора при разработке трансформатора, есть S и n. На практике принята эвристика n = (от 55 до 70) / S в см².

Увеличение S означает повышение габаритов и веса трансформатора. Если же идти по пути снижения S, то это означает повышение n, что в трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода (иначе обмотка не поместится на данном сердечнике).

Увеличение n и снижение сечения означает сильное увеличение активного сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток через обмотку растет и, при высоком сопротивлении обмотки, рассеивает на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.

Перечисленные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути повышения S и сечения провода со снижением n).

Потому в современных БП идут по другому пути, а именно по пути повышения f, то есть переходу на импульсные блоки питания. Таковые блоки питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на экранирующую клетку) и значительно меньше габаритами, чем классические. Кроме того, они не требовательны к входному напряжению и частоте.

Достоинства и недостатки

Достоинства трансформаторных БП.

• Простота конструкции.
• Надёжность.
• Доступность элементной базы.
• Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих).

Недостатки трансформаторных БП.

• Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
• Металлоёмкость.
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.
• Слабая стойкость оборудования с таким БП к броскам напряжения и «отгоранию нуля» (обычно возникает в воздушных сетях сельской местности, приводит к повышению напряжения в розетках с 220 до 380 В). Печально известны в этом плане платы автоматики отопительных котлов (как правило они защищаются варистором, но часто и этого оказывается недостаточно). В то же время техника с импульсными БП (например, современные телевизоры) часто переносит повышения питания до 380 В без разрушения.

Импульсный источник питания

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — катушка выходного фильтра
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства и недостатки

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %)^{[источник не указан 1146 дней]} за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные, линейные БП малой мощности сохранились только для питания слаботочных плат управления «белой»^{[неизвестный термин]} бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок).
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
• Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
• В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

См. также

• Источник питания
• Стабилизатор напряжения
• Компьютерный блок питания
• Адаптер

Примечания

1. ↑ ГОСТ 23413-79 Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения
2. ↑ ГОСТ Р 52907-2008 «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»

Литература

• Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М. : Радио и связь, 1983. — С. 5. — 128 с. — 60 000 экз.
• В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.
• Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3
• Гуревич В. И. Устройства электропитания релейной защиты: проблемы и решения. — М.: Инфра-Инженерия, 2012. — 288 с. — 1000 экз. — ISBN ISBN 978-5-9729-0043-5

Ссылки

• Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры.-М.Радио и связь,1983
• Китаев В. Е., Бокуняев А. А., Электропитание устройств связи. -М., Связь, 1975
• БЛОК ПИТАНИЯ: импульсный или линейный? ЗА и ПРОТИВ
• Гуревич В. И. Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения. — «Электротехнический рынок», 2009, № 1 (25), с. 50 — 54

Вторичный источник электропитания | это.

.. Что такое Вторичный источник электропитания?

Промышленные модули электропитания Siemens SITOP Power. Нижний правый — БП для AS-i интерфейса

Вторичный источник электропитания — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания^[1]. Согласно ГОСТ Р 52907-2008 слово «вторичный» опускается^[2].

Источник электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах — например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и т. д.), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Содержание 1 Задачи вторичного источника питания 2 Трансформаторный (сетевой) источник питания 2. 1 Габариты трансформатора 2.2 Достоинства и недостатки 3 Импульсный источник питания 3.1 Достоинства и недостатки 4 См. также 5 Примечания 6 Литература 7 Ссылки

Задачи вторичного источника питания

• Обеспечение передачи мощности — источник питания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и т. д. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (напр., в России — 220 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Трансформаторный блок питания

Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов электротехники (и даже уравнений Максвелла):

(1 / n) ~ f × S × B

где n — число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного потока, поток есть нечто в виде sin (f × t)), f — частота переменного напряжения, S — площадь сечения магнитопровода, B — индукция магнитного поля в нем. Формула описывает амплитуду B, а не мгновенное значение.

Величина B на практике ограничена сверху возникновением гистерезиса в сердечнике, что приводит к потерям на перемагничивание и перегреву трансформатора.

Если принять, что f есть частота сети (50 Гц), то единственные два параметра, доступные для выбора при разработке трансформатора, есть S и n. На практике принята эвристика n = (от 55 до 70) / S в см².

Увеличение S означает повышение габаритов и веса трансформатора. Если же идти по пути снижения S, то это означает повышение n, что в трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода (иначе обмотка не поместится на данном сердечнике).

Увеличение n и снижение сечения означает сильное увеличение активного сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток через обмотку растет и, при высоком сопротивлении обмотки, рассеивает на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.

Перечисленные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути повышения S и сечения провода со снижением n).

Потому в современных БП идут по другому пути, а именно по пути повышения f, то есть переходу на импульсные блоки питания. Таковые блоки питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на экранирующую клетку) и значительно меньше габаритами, чем классические. Кроме того, они не требовательны к входному напряжению и частоте.

Достоинства и недостатки

Достоинства трансформаторных БП.

• Простота конструкции.
• Надёжность.
• Доступность элементной базы.
• Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих).

Недостатки трансформаторных БП.

• Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
• Металлоёмкость.
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.
• Слабая стойкость оборудования с таким БП к броскам напряжения и «отгоранию нуля» (обычно возникает в воздушных сетях сельской местности, приводит к повышению напряжения в розетках с 220 до 380 В). Печально известны в этом плане платы автоматики отопительных котлов (как правило они защищаются варистором, но часто и этого оказывается недостаточно). В то же время техника с импульсными БП (например, современные телевизоры) часто переносит повышения питания до 380 В без разрушения.

Импульсный источник питания

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — катушка выходного фильтра
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства и недостатки

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %)^{[источник не указан 1146 дней]} за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные, линейные БП малой мощности сохранились только для питания слаботочных плат управления «белой»^{[неизвестный термин]} бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок).
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
• Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
• В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

См. также

• Источник питания
• Стабилизатор напряжения
• Компьютерный блок питания
• Адаптер

Примечания

1. ↑ ГОСТ 23413-79 Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения
2. ↑ ГОСТ Р 52907-2008 «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»

Литература

• Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — С. 5. — 128 с. — 60 000 экз.
• В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.
• Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3
• Гуревич В. И. Устройства электропитания релейной защиты: проблемы и решения.  — М.: Инфра-Инженерия, 2012. — 288 с. — 1000 экз. — ISBN ISBN 978-5-9729-0043-5

Ссылки

• Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры.-М.Радио и связь,1983
• Китаев В. Е., Бокуняев А. А., Электропитание устройств связи. -М., Связь, 1975
• БЛОК ПИТАНИЯ: импульсный или линейный? ЗА и ПРОТИВ
• Гуревич В. И. Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения. — «Электротехнический рынок», 2009, № 1 (25), с. 50 — 54

Понятие о вторичных источниках питания — продажа и интеграция систем безопасности

Пожарные техники и установщики систем безопасности часто неправильно понимают вторичные источники питания. Существует несколько конфигураций резервного питания на выбор, и знание подходящей конфигурации необходимо для создания эффективной системы пожарной сигнализации, соответствующей нормам.

В сфере пожарной сигнализации есть два основных источника питания для систем, которые мы устанавливаем. Их чаще всего называют первичным и вторичным источниками питания.

Раздел 907.5 Международного противопожарного кодекса (IFC) 2003 г., опубликованного Советом по международным правилам (ICC), откладывает вопрос о питании до NFPA 72. «Первичный и вторичный источник питания для системы пожарной сигнализации должен быть обеспечен в соответствии с NFPA 72».

В соответствии с разделом 4.4.1.3.1 NFPA 72, издание 2002 г., «должны быть предусмотрены как минимум два независимых и надежных источника питания, один первичный и один вторичный, каждый из которых должен иметь достаточную мощность для применения».

Типичный первичный источник питания — это, как правило, не что иное, как общественный электрический автобус или домашняя электроэнергия, которыми мы пользуемся каждый день. Однако вторичные источники питания будут различаться по размеру, формату и области применения.

В этом месяце мы обсудим эти варианты. Также поговорим об ответственности пожарного техника в отношении электрогенераторов; требования вторичной мощности согласно Разделу 4. 4.1.8 NFPA 72; использование, уход и физическое обращение с перезаряжаемыми батареями.

Требования к вторичному питанию Независимо от того, какое вторичное питание используется, существует ряд критериев, которые должны быть соблюдены, прежде чем система пожарной сигнализации будет признана соответствующей коду. Прежде всего, вторичный источник питания должен быть в состоянии восстановить систему пожарной сигнализации в течение 30 секунд после сбоя основного питания, как указано в разделе 1-5.2.6 издания 1999 г. NFPA 72, Национального кодекса пожарной сигнализации, опубликованного Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA).

Согласно 1999, это переключение должно происходить без потери сигнала, когда первичное напряжение меньше, чем требуется для правильной работы.

Код 2002 подходит к этой проблеме с точки зрения производительности. В разделе 4.4.1.5 издания 2002 г. вторичное питание может поступать из одного из трех источников. Переключение в соответствии с нормами 2002 года должно выполняться таким образом, чтобы потеря сигнала не превышала 10 секунд.

Первый тип вторичного питания, как указано в 4.4.1.5.1(1), представляет собой обычные перезаряжаемые батареи, отвечающие условиям, изложенным в 4.4.1.8 того же издания (см. врезку).

Несмотря на то, что перезаряжаемые батареи становятся предпочтительным способом обеспечения резервного питания для панелей пожарной сигнализации и подключенных к ним удаленных устройств, пожарные могут столкнуться с двумя другими вариантами резервного питания. В соответствии с разделом 4.4.1.5.1(2) NFPA 72, 2002 г. сюда входят: 1) генераторная установка с приводом от двигателя (генераторная установка) с 4-часовым аккумуляторным питанием для панели управления пожарной сигнализацией и 2) система генераторов с несколькими двигателями, в которой одна из генераторных установок оборудована для автоматического запуска.

Там, где есть одиночный генератор внутреннего сгорания, обеспечивающий вторичное питание, код требует использования батарей для панели управления пожарной сигнализацией с резервом не менее 4 часов. Целью 4-часового режима ожидания является поддержание работоспособности панели пожарной сигнализации во время запуска генераторной установки.

4-часовая емкость аккумулятора дает конечному пользователю достаточно времени для ремонта/восстановления генераторной установки до рабочего состояния без нарушения работы системы.

Качество электроэнергии генератора
Пожарные техники часто оказываются в ситуации, когда непрерывная работа панелей пожарной сигнализации, которые они устанавливают, зависит от использования электрогенератора во время отключения электроэнергии. Одной из потенциальных проблем, с которыми сталкиваются технические специалисты в этом отношении, является качество электроэнергии.

«Качество электроэнергии может быть реальной проблемой для старых аварийных генераторов, которые не соответствуют сегодняшним стандартам оборудования, — говорит Ник Марковиц из компании Markowitz Electric Protection в Вероне, штат Пенсильвания. — Некоторые из этих старых генераторов не обеспечивают чистую выходную мощность. Подключение современной панели пожарной сигнализации к такому генератору может привести к повреждению материнской платы».

Проблема в том, что некоторые из этих старых генераторов не могут выдавать чистую синусоиду переменного тока.

Первое, на что следует обратить внимание, это надлежащие разрешения и списки. Согласно Статье 700.3, NFPA 70, 2002 г., «Все оборудование должно быть одобрено для использования в аварийных системах».

Существуют также приборы для измерения качества выходной мощности генераторной установки. Эти устройства будут эффективно анализировать физические характеристики электричества, подаваемого на панель пожарной сигнализации. Некоторые модели позволяют вести документацию с помощью принтера или соединения RS-232 с ПК с загруженным на него соответствующим программным обеспечением.

Еще одна проблема, о которой должны знать пожарные, — это источник топлива для генераторной установки. В соответствии со статьей 701.11(B)(2) NFPA 70, издание 2002 г. , «если двигатели внутреннего сгорания используются в качестве первичного двигателя, локальная подача топлива должна обеспечиваться локальным запасом топлива, достаточным не менее чем для 2 часа работы системы на полную мощность».

Кроме того, если двигатель генераторной установки использует общедоступный источник природного газа, статья 701-11(B)(3) требует двухтопливной схемы. «Первичные двигатели не должны зависеть исключительно от коммунальной газовой системы для подачи топлива или муниципального водоснабжения для своих систем охлаждения. Должны быть предусмотрены средства для автоматического переключения одного запаса топлива на другой при использовании двухтопливных запасов». Перечисленным исключением из этого правила являются случаи, когда уполномоченный орган (AHJ) считает, что существует «низкая вероятность одновременного отказа как внешней системы подачи топлива, так и подачи электроэнергии от сторонней электроэнергетической компании».

Мощность вторичного источника питания
Требуемая мощность вторичного источника питания должна соответствовать коду, чтобы AHJ мог принять и подписать задание. Согласно определению NFPA 72, существует четыре основных системы пожарной сигнализации, с которыми обычно работают пожарные. На каком из четырех работает пожарный техник, определяет мощность вторичного источника питания. В соответствии с NFPA 72 существуют и другие, но мы ограничим наше обсуждение следующими: 1) Защищенное помещение (локальное), 2) Вспомогательная, удаленная станция, 3) Собственная и 4) Аварийная голосовая/тревожная связь.

При работе с системой пожарной сигнализации охраняемого помещения (локальной) мощность резервного источника питания должна быть не менее 24 часов в режиме ожидания (максимальная дежурная нагрузка) с последующим вызывным временем (полная нагрузка при тревоге) 5 минут (п.4.4. 1.5.3.1, NFPA 72, издание 2002 г.).

В системах вспомогательных и удаленных станций ожидается, что резервная мощность составит 60 часов или более с последующим временем звонка 5 минут. Аккумуляторы системы экстренной голосовой/тревожной связи должны иметь емкость, достаточную для поддержания работы в течение 24 часов с последующим периодом в 2 часа при работе в аварийном режиме в соответствии с разделом 4. 4.1.5.3.1(A) или 15 минут при полной нагрузке. во время эвакуационных процедур.

Аварийный режим предполагает использование аудиочасти, а полная эвакуация предполагает работу всех устройств оповещения, возможно, в сочетании с периодическими аудиообъявлениями.

Полную версию этой истории можно найти в августовском номере журнала Security Sales & Integration .

Исследование вторичных источников питания (SPS)

Вторичные источники питания

Ecos Consulting и Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) финансируются программой исследования общественных интересов в области энергетики (PIER) Калифорнийской энергетической комиссии для измерения энергоэффективности. вторичных источников питания и определить, существуют ли возможности рентабельного повышения их эффективности. В течение 2007 и 2008 годов организации разработают процедуру проверки эффективности вторичного источника питания и будут использовать эту процедуру для измерения эффективности широкого спектра вторичных источников питания, используемых в обычных продуктах, таких как компьютеры и телевизоры.

Что такое вторичные источники питания?

Для всех электронных продуктов требуются первичные источники питания, которые преобразуют мощность переменного тока из сети в мощность постоянного тока, используемую в электронных схемах. Некоторым продуктам требуются вторичные источники питания, которые преобразуют электричество постоянного тока из одного напряжения в другое. Например, вторичные блоки питания внутри компьютеров преобразуют мощность постоянного тока от основного источника питания с 12 В постоянного тока в мощность постоянного тока более низкого напряжения, используемую компонентами на материнской плате, такими как ЦП и память. Наше обсуждение будет сосредоточено на вторичных источниках питания в настольных компьютерах, но вторичные источники питания также встречаются в других электронных продуктах, таких как телевизоры, телевизионные приставки и телекоммуникационное оборудование.

В компьютерах вторичные блоки питания распределены по материнской плате и, как правило, расположены рядом с цепями, которые они питают. Вторичные источники питания, используемые в компьютерах, можно разделить на следующие типы для конкретных приложений, более подробно описанные ниже:

• Преобразователь точки нагрузки (POL)
• Модуль регулятора напряжения (VRM)
• Регулятор напряжения вниз (VRD)

Что такое преобразователи POL, VRM и VRD?

Преобразователь точки нагрузки (POL) — это термин, используемый для описания вторичного источника питания, который обеспечивает питание цепей на материнской плате, кроме ЦП, таких как память или встроенный графический процессор. Преобразователь POL может иметь модульную форму или, чаще, может быть установлен непосредственно на печатной плате (встроен).

A Модуль регулятора напряжения (VRM) — это дополнительный источник питания, обеспечивающий питание главного процессора (ЦП). VRM значительно сложнее, чем POL, так как часто состоят из нескольких параллельно работающих преобразователей и имеют специальные элементы управления, реагирующие на сигналы ЦП.