Laboratoriestrømforsyning: switching eller lineær, hvilken skal man vælge? Enhed, kredsløb og deres sammenligning. DIY lineær laboratoriestrømforsyning Kraftig lineær strømforsyning

Lineære og skiftende strømforsyninger

Lad os starte med det grundlæggende. Strømforsyningen i en computer udfører tre funktioner. Først skal vekselstrøm fra husstandens strømforsyning konverteres til jævnstrøm. Den anden opgave for strømforsyningen er at reducere spændingen på 110-230 V, som er for høj for computerelektronik, til de standardværdier, der kræves af strømomformere af individuelle pc-komponenter - 12 V, 5 V og 3,3 V (samt negative spændinger, som vi vil tale om lidt senere) . Endelig spiller strømforsyningen rollen som en spændingsstabilisator.

Der er to hovedtyper af strømforsyninger, der udfører ovenstående funktioner - lineær og switching. Den enkleste lineære strømforsyning er baseret på en transformer, hvorpå vekselstrømspændingen reduceres til den nødvendige værdi, og derefter ensrettes strømmen af ​​en diodebro.

Strømforsyningen er dog også nødvendig for at stabilisere udgangsspændingen, hvilket er forårsaget af både spændingsustabilitet i husholdningsnettet og et spændingsfald som reaktion på en stigning i strømmen i belastningen.

For at kompensere for spændingsfaldet, i en lineær strømforsyning beregnes transformatorparametrene til at give overskydende effekt. Så ved høj strøm vil den nødvendige spænding blive observeret i belastningen. Den øgede spænding, der vil opstå uden nogen form for kompensation ved lav strøm i nyttelasten, er dog også uacceptabel. Overspænding elimineres ved at inkludere en ikke-nyttig belastning i kredsløbet. I det enkleste tilfælde er dette en modstand eller transistor forbundet gennem en Zener-diode. I en mere avanceret version styres transistoren af ​​et mikrokredsløb med en komparator. Hvorom alting er, så bliver overskydende strøm simpelthen spredt som varme, hvilket påvirker enhedens effektivitet negativt.

I skiftestrømforsyningskredsløbet vises en variabel mere, som udgangsspændingen afhænger af, ud over de to allerede eksisterende: indgangsspænding og belastningsmodstand. Der er en switch i serie med belastningen (som i det tilfælde, vi er interesseret i, er en transistor), styret af en mikrocontroller i pulsbreddemodulationstilstand (PWM). Jo højere varigheden af ​​transistorens åbne tilstande er i forhold til deres periode (denne parameter kaldes duty cycle, i russisk terminologi bruges den omvendte værdi - duty cycle), jo højere er udgangsspændingen. På grund af tilstedeværelsen af ​​en switch kaldes en skiftende strømforsyning også Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Der løber ingen strøm gennem en lukket transistor, og modstanden af ​​en åben transistor er ideelt set ubetydelig. I virkeligheden har en åben transistor modstand og spreder noget af strømmen som varme. Derudover er overgangen mellem transistortilstande ikke perfekt diskret. Og alligevel kan effektiviteten af ​​en pulserende strømkilde overstige 90%, mens effektiviteten af ​​en lineær strømforsyning med en stabilisator når 50% i bedste fald.

En anden fordel ved at skifte strømforsyning er den radikale reduktion af transformatorens størrelse og vægt sammenlignet med lineære strømforsyninger med samme effekt. Det er kendt, at jo højere frekvensen af ​​vekselstrøm i primærviklingen af ​​en transformator er, jo mindre er den nødvendige kernestørrelse og antallet af viklingsvindinger. Derfor placeres nøgletransistoren i kredsløbet ikke efter, men før transformatoren og, ud over spændingsstabilisering, bruges til at producere højfrekvent vekselstrøm (for computerstrømforsyninger er dette fra 30 til 100 kHz og højere, og som regel - omkring 60 kHz). En transformer, der arbejder ved en strømforsyningsfrekvens på 50-60 Hz, ville være titusinder gange mere massiv for den strøm, der kræves af en standardcomputer.

Lineære strømforsyninger anvendes i dag hovedsageligt i tilfælde af laveffektapplikationer, hvor den relativt komplekse elektronik, der kræves til en skiftende strømforsyning, udgør en mere følsom omkostningspost sammenlignet med en transformer. Det er for eksempel 9 V strømforsyninger, som bruges til guitareffektpedaler, og en gang til spillekonsoller osv. Men opladere til smartphones er allerede helt pulserede - her er omkostningerne berettigede. På grund af den væsentligt lavere amplitude af spændingsrippel ved udgangen, bruges lineære strømforsyninger også i de områder, hvor denne kvalitet er efterspurgt.

⇡ Generelt diagram over en ATX-strømforsyning

En stationær computers strømforsyning er en skiftende strømforsyning, hvis indgang forsynes med husholdningsspænding med parametre på 110/230 V, 50-60 Hz, og udgangen har et antal DC-linjer, hvoraf de vigtigste er klassificeret 12, 5 og 3,3 V Derudover giver strømforsyningen en spænding på -12 V, og nogle gange også en spænding på -5 V, der kræves til ISA-bussen. Men sidstnævnte blev på et tidspunkt udelukket fra ATX-standarden på grund af ophøret med understøttelse af selve ISA.

I det forenklede diagram af en standard switch-strømforsyning, der er præsenteret ovenfor, kan der skelnes mellem fire hovedtrin. I samme rækkefølge overvejer vi komponenterne i strømforsyninger i anmeldelserne, nemlig:

1. EMI-filter - elektromagnetisk interferens (RFI-filter);
2. primært kredsløb - indgangsensretter (ensretter), nøgletransistorer (omskifter), der skaber højfrekvent vekselstrøm på transformatorens primære vikling;
3. vigtigste transformer;
4. sekundært kredsløb - strømensrettere fra transformatorens sekundære vikling (ensrettere), udjævningsfiltre ved udgangen (filtrering).

⇡ EMI-filter

Filteret ved strømforsyningens indgang bruges til at undertrykke to typer elektromagnetisk interferens: differential (differential-mode) - når interferensstrømmen løber i forskellige retninger i elledningerne, og common-mode (common-mode) - når strømmen flyder i én retning.

Differentialstøj undertrykkes af kondensator CX (den store gule filmkondensator på billedet ovenfor) forbundet parallelt med belastningen. Nogle gange er der desuden knyttet en choker til hver ledning, som udfører den samme funktion (ikke på diagrammet).

Common mode-filteret er dannet af CY-kondensatorer (blå dråbeformede keramiske kondensatorer på billedet), der forbinder strømledningerne til jord ved et fælles punkt osv. en common-mode choker (LF1 i diagrammet), hvis strøm i de to viklinger løber i samme retning, hvilket skaber modstand for common-mode interferens.

I billige modeller er et minimumssæt af filterdele installeret i dyrere, de beskrevne kredsløb danner gentagne (helt eller delvist) forbindelser. Før i tiden var det ikke ualmindeligt at se strømforsyninger uden noget EMI-filter overhovedet. Nu er dette en ret besynderlig undtagelse, selvom hvis du køber en meget billig strømforsyning, kan du stadig løbe ind i sådan en overraskelse. Som et resultat vil ikke kun og ikke så meget selve computeren lide, men andet udstyr, der er forbundet til husstandens netværk - skiftende strømforsyninger er en kraftig kilde til interferens.

I filterområdet for en god strømforsyning kan du finde flere dele, der beskytter selve enheden eller dens ejer mod skade. Der er næsten altid en simpel sikring til kortslutningsbeskyttelse (F1 i diagrammet). Bemærk, at når sikringen udløses, er den beskyttede genstand ikke længere strømforsyningen. Hvis der opstår en kortslutning, betyder det, at nøgletransistorerne allerede er brudt igennem, og det er vigtigt i det mindste at forhindre, at de elektriske ledninger går i brand. Hvis en sikring i strømforsyningen pludselig brænder ud, er det højst sandsynligt meningsløst at erstatte den med en ny.

Der ydes separat beskyttelse mod kort sigt overspændinger ved hjælp af en varistor (MOV - Metal Oxide Varistor). Men der er ingen midler til beskyttelse mod længerevarende spændingsstigninger i computerens strømforsyninger. Denne funktion udføres af eksterne stabilisatorer med deres egen transformer indeni.

Kondensatoren i PFC-kredsløbet efter ensretteren kan bevare en betydelig ladning efter at være blevet afbrudt fra strømmen. For at forhindre, at en skødesløs person, der stikker fingeren ind i strømstikket, får et elektrisk stød, er en højværdi afladningsmodstand (bleeder-modstand) installeret mellem ledningerne. I en mere sofistikeret version - sammen med et styrekredsløb, der forhindrer ladning i at lække, når enheden er i drift.

Forresten betyder tilstedeværelsen af ​​et filter i pc-strømforsyningen (og strømforsyningen til en skærm og næsten ethvert computerudstyr har også et) betyder, at det generelt er at købe et separat "overspændingsfilter" i stedet for en almindelig forlængerledning. , meningsløst. Alt er det samme indeni ham. Den eneste betingelse under alle omstændigheder er normal tre-benet ledning med jording. Ellers vil CY-kondensatorerne, der er forbundet til jord, simpelthen ikke være i stand til at udføre deres funktion.

⇡ Indgangsensretter

Efter filteret omdannes vekselstrømmen til jævnstrøm ved hjælp af en diodebro - normalt i form af en samling i et fælles hus. En separat radiator til køling af broen er meget velkommen. En bro samlet af fire diskrete dioder er en egenskab ved billige strømforsyninger. Du kan også spørge, hvilken strøm broen er designet til for at afgøre, om den matcher strømmen fra selve strømforsyningen. Selvom der som regel er en god margin for denne parameter.

⇡ Aktiv PFC-blok

I et vekselstrømskredsløb med en lineær belastning (såsom en glødepære eller et elektrisk komfur), følger strømmen den samme sinusbølge som spændingen. Men dette er ikke tilfældet med enheder, der har en indgangsensretter, såsom at skifte strømforsyning. Strømforsyningen sender strøm i korte pulser, der tilnærmelsesvis falder sammen med spidserne af spændingssinusbølgen (det vil sige den maksimale øjeblikkelige spænding), når ensretterens udjævningskondensator genoplades.

Det forvrængede strømsignal dekomponeres i flere harmoniske svingninger i summen af ​​en sinus med en given amplitude (det ideelle signal, der ville forekomme med en lineær belastning).

Den strøm, der bruges til at udføre nyttigt arbejde (som faktisk opvarmer pc-komponenterne) er angivet i strømforsyningens egenskaber og kaldes aktiv. Den resterende effekt genereret af harmoniske svingninger af strømmen kaldes reaktiv. Det producerer ikke nyttigt arbejde, men opvarmer ledningerne og skaber en belastning på transformere og andet strømudstyr.

Vektorsummen af ​​reaktiv og aktiv effekt kaldes tilsyneladende effekt. Og forholdet mellem aktiv effekt og samlet effekt kaldes effektfaktor - ikke at forveksle med effektivitet!

En skiftende strømforsyning har i starten en ret lav effektfaktor - omkring 0,7. For en privat forbruger er reaktiv effekt ikke et problem (heldigvis tages der ikke højde for det af elmålere), medmindre han bruger en UPS. Den uafbrydelige strømforsyning er ansvarlig for belastningens fulde effekt. På størrelse med et kontor- eller bynetværk reducerer overskydende reaktiv effekt skabt ved at skifte strømforsyning allerede betydeligt kvaliteten af ​​strømforsyningen og forårsager omkostninger, så det bliver aktivt bekæmpet.

Især er langt de fleste computerstrømforsyninger udstyret med kredsløb for aktiv effektfaktorkorrektion (Active PFC). En enhed med en aktiv PFC identificeres let af en enkelt stor kondensator og induktor installeret efter ensretteren. I det væsentlige er Active PFC en anden pulskonverter, der opretholder en konstant ladning på kondensatoren med en spænding på omkring 400 V. I dette tilfælde forbruges strøm fra forsyningsnettet i korte pulser, hvis bredde er valgt, så signalet er tilnærmet af en sinusbølge - som er nødvendig for at simulere en lineær belastning. For at synkronisere strømforbrugssignalet med spændingssinusformen har PFC-controlleren speciel logik.

Det aktive PFC-kredsløb indeholder en eller to nøgletransistorer og en kraftig diode, som er placeret på samme heatsink med nøgletransistorerne på hovedstrømforsyningsomformeren. Som regel er PWM-controlleren til hovedkonverternøglen og den aktive PFC-nøgle én chip (PWM/PFC Combo).

Effektfaktoren for at skifte strømforsyninger med aktiv PFC når 0,95 og højere. Derudover har de en ekstra fordel - de kræver ikke en 110/230 V hovedafbryder og en tilsvarende spændingsdobler inde i strømforsyningen. De fleste PFC-kredsløb håndterer spændinger fra 85 til 265 V. Derudover reduceres strømforsyningens følsomhed over for kortvarige spændingsfald.

I øvrigt er der udover aktiv PFC-korrektion også en passiv, som involverer installation af en højinduktans-induktor i serie med belastningen. Dens effektivitet er lav, og du vil næppe finde dette i en moderne strømforsyning.

⇡ Hovedkonverter

Det generelle funktionsprincip for alle pulsstrømforsyninger af en isoleret topologi (med en transformer) er det samme: en nøgletransistor (eller transistorer) skaber vekselstrøm på transformatorens primære vikling, og PWM-controlleren styrer driftscyklussen af deres skift. Specifikke kredsløb adskiller sig dog både i antallet af nøgletransistorer og andre elementer, og i kvalitative karakteristika: effektivitet, signalform, støj osv. Men her afhænger for meget af den specifikke implementering til, at dette er værd at fokusere på. For de interesserede giver vi et sæt diagrammer og en tabel, der giver dig mulighed for at identificere dem i specifikke enheder ved sammensætningen af ​​delene.

Ud over de anførte topologier er der i dyre strømforsyninger resonansversioner af Half Bridge, som let identificeres af en ekstra stor induktor (eller to) og en kondensator, der danner et oscillerende kredsløb.

⇡ Sekundært kredsløb

Det sekundære kredsløb er alt, hvad der kommer efter transformatorens sekundære vikling. I de fleste moderne strømforsyninger har transformatoren to viklinger: 12 V fjernes fra den ene og 5 V fra den anden. Strømmen rettes først ved hjælp af en samling af to Schottky-dioder - en eller flere pr. belastet bus - 12 V - i kraftige strømforsyninger er der fire samlinger). Mere effektive med hensyn til effektivitet er synkrone ensrettere, som bruger felteffekttransistorer i stedet for dioder. Men dette er privilegiet for virkelig avancerede og dyre strømforsyninger, der gør krav på 80 PLUS Platinum-certifikatet.

3,3V skinnen drives typisk fra samme vikling som 5V skinnen, kun spændingen trappes ned ved hjælp af en mættet induktor (Mag Amp). En speciel vikling på en transformer til en spænding på 3,3 V er en eksotisk mulighed. Af de negative spændinger i den nuværende ATX-standard er der kun -12 V tilbage, som fjernes fra sekundærviklingen under 12 V-bussen gennem separate lavstrømsdioder.

PWM-styring af konverternøglen ændrer spændingen på transformerens primærvikling og derfor på alle sekundære viklinger på én gang. Samtidig er computerens strømforbrug på ingen måde ligeligt fordelt mellem strømforsyningsbusserne. I moderne hardware er den mest belastede bus 12-V.

For separat at stabilisere spændinger på forskellige busser kræves yderligere foranstaltninger. Den klassiske metode går ud på at bruge en gruppestabiliseringschoke. Tre hovedbusser føres gennem dens viklinger, og som et resultat, hvis strømmen stiger på en bus, falder spændingen på de andre. Lad os sige, at strømmen på 12 V-bussen er steget, og for at forhindre et spændingsfald har PWM-controlleren reduceret nøgletransistorernes arbejdscyklus. Som følge heraf kunne spændingen på 5 V-bussen gå ud over de tilladte grænser, men blev undertrykt af gruppestabiliseringschokeren.

Spændingen på 3,3 V-bussen reguleres desuden af ​​en anden mættelig induktor.

En mere avanceret version giver separat stabilisering af 5 og 12 V busserne på grund af mættede choker, men nu har dette design givet plads til DC-DC konvertere i dyre højkvalitets strømforsyninger. I sidstnævnte tilfælde har transformatoren en enkelt sekundær vikling med en spænding på 12 V, og spændingerne på 5 V og 3,3 V opnås takket være DC-DC-konvertere. Denne metode er mest gunstig for spændingsstabilitet.

Udgangsfilter

Det sidste trin på hver bus er et filter, der udjævner spændingsrippel forårsaget af nøgletransistorerne. Derudover trænger indgangsensretterens pulseringer, hvis frekvens er lig med to gange frekvensen af ​​forsyningsnetværket, i en eller anden grad ind i strømforsyningens sekundære kredsløb.

Rippelfilteret inkluderer en choker og store kondensatorer. Højkvalitets strømforsyninger er kendetegnet ved en kapacitans på mindst 2.000 uF, men producenter af billige modeller har reserver til besparelser, når de installerer kondensatorer, for eksempel på halvdelen af ​​den nominelle værdi, hvilket uundgåeligt påvirker ripple-amplituden.

⇡ Standby strøm +5VSB

En beskrivelse af komponenterne i strømforsyningen ville være ufuldstændig uden at nævne 5 V standby-spændingskilden, som gør pc-dvaletilstanden mulig og sikrer driften af ​​alle enheder, der skal være tændt til enhver tid. "Vagtrummet" forsynes af en separat pulsomformer med en laveffekttransformer. I nogle strømforsyninger er der også en tredje transformer, som bruges i feedbackkredsløbet til at isolere PWM-controlleren fra hovedkonverterens primære kredsløb. I andre tilfælde udføres denne funktion af optokoblere (en LED og en fototransistor i én pakke).

⇡ Metode til test af strømforsyninger

En af hovedparametrene for strømforsyningen er spændingsstabilitet, hvilket afspejles i den såkaldte. krydsbelastningskarakteristik. KNH er et diagram, hvor strømmen eller effekten på 12 V-bussen er plottet på den ene akse, og den samlede strøm eller effekt på 3,3 og 5 V-bussen er plottet på den anden ved skæringspunkterne for forskellige værdier af begge variabler, spændingsafvigelsen fra den nominelle værdi bestemmes et eller andet dæk. Derfor udgiver vi to forskellige KNH'er - til 12 V-bussen og til 5/3,3 V-bussen.

Farven på prikken angiver procentdelen af ​​afvigelsen:

• grøn: ≤ 1%;
• lysegrøn: ≤ 2%;
• gul: ≤ 3%;
• orange: ≤ 4%;
• rød: ≤ 5 %.
• hvid: > 5% (ikke tilladt af ATX-standard).

For at opnå KNH anvendes en specialfremstillet strømforsyningstestbænk, som skaber en belastning ved at sprede varme på kraftige felteffekttransistorer.

En anden lige så vigtig test er at bestemme ripple-amplituden ved strømforsyningens udgang. ATX-standarden tillader rippel inden for 120 mV for en 12 V-bus og 50 mV for en 5 V-bus. frekvensen af ​​forsyningsnettet).

Vi måler denne parameter ved hjælp af et Hantek DSO-6022BE USB-oscilloskop ved den maksimale belastning på strømforsyningen specificeret af specifikationerne. I oscillogrammet nedenfor svarer den grønne graf til 12 V-bussen, den gule graf svarer til 5 V. Det kan ses, at krusningerne er indenfor normale grænser, og endda med en margin.

Til sammenligning præsenterer vi et billede af krusninger ved udgangen af ​​strømforsyningen på en gammel computer. Denne blok var ikke fantastisk til at begynde med, men den er bestemt ikke blevet bedre med tiden. At dømme efter størrelsen af ​​lavfrekvent rippel (bemærk, at spændingssweep-divisionen øges til 50 mV for at passe til oscillationerne på skærmen), er udjævningskondensatoren ved indgangen allerede blevet ubrugelig. Højfrekvent ripple på 5 V-bussen er på grænsen til tilladte 50 mV.

Den følgende test bestemmer effektiviteten af ​​enheden ved en belastning fra 10 til 100 % af den nominelle effekt (ved at sammenligne udgangseffekten med indgangseffekten målt ved hjælp af et husstands wattmeter). Til sammenligning viser grafen kriterierne for de forskellige 80 PLUS-kategorier. Dette vækker dog ikke den store interesse i disse dage. Grafen viser resultaterne af top-end Corsair PSU i sammenligning med den meget billige Antec, og forskellen er ikke så stor.

Et mere presserende problem for brugeren er støjen fra den indbyggede blæser. Det er umuligt at måle det direkte tæt på den brølende strømforsyningsteststand, så vi måler rotationshastigheden på pumpehjulet med et laseromdrejningstæller - også ved effekt fra 10 til 100%. Grafen nedenfor viser, at når belastningen på denne strømforsyning er lav, forbliver 135 mm blæseren på lav hastighed og er næsten ikke hørbar overhovedet. Ved maksimal belastning kan støjen allerede anes, men niveauet er stadig ganske acceptabelt.

Det er ingen hemmelighed, at driften af ​​den enhed, den er indlæst på, afhænger af det korrekte valg af strømforsyning (herefter benævnt PSU), dens design og byggekvalitet. Her vil jeg forsøge at tale om hovedpunkterne i valg, beregning, design og brug af strømforsyninger.

1. Valg af strømforsyning

Det første trin er klart at forstå, hvad der præcist skal tilsluttes strømforsyningen. Vi er primært interesserede i belastningsstrømmen. Dette vil være hovedpunktet i de tekniske specifikationer. Baseret på denne parameter vil kredsløbet og elementbasen blive valgt. Jeg vil give eksempler på belastninger og deres gennemsnitlige strømforbrug

1. LED-lyseffekter (20-1000mA)

2. Lyseffekter på miniature glødelamper (200mA-2A)

3. Lyseffekter på kraftige lamper (op til 1000A)

4. Miniature halvleder radiomodtagere (100-500mA)

5. Bærbart lydudstyr (100mA-1A)

6. Bilradioer (op til 20A)

7. Automotive UMZCH (via 12V linje op til 200A)

8. Stationær halvleder UMZCH (med en udgangseffekt ikke højere end 1 kW op til 40 A)

9. Rør UMZCH (10mA-1A – anode, 200mA-8A – filament)

10. Rør HF transceivere [udgangstrinnet i klasse C er kendetegnet ved den højeste effektivitet] (med sendereffekt op til 1 kW, op til 5A - anode, op til 10A - filament)

11. Halvleder HF transceivere, CB (med sendereffekt op til 100W, 1 - 5A)

12. Tube VHF radiostationer (med sendereffekt op til 50W, op til 1A - anode, op til 3A - filament)

13. Halvleder VHF-radioer (op til 5A)

14. Halvleder-tv'er (op til 5A)

15. Computerudstyr, kontorudstyr, netværksenheder [LAN-hubs, adgangspunkter, modemer, routere] (500mA - 30A)

16. Opladere til batterier (op til 10A)

17. Styreenheder til husholdningsapparater (op til 1A)

2. Sikkerhedsregler

Lad os ikke glemme, at strømforsyningen er den højeste spændingskomponent i enhver enhed (undtagen måske tv'et). Desuden er det ikke kun det industrielle elektriske netværk (220V), der udgør en fare. Spændingen i anodekredsløbene i lampeudstyr kan nå titusinder og endda hundreder (i røntgeninstallationer) af kilovolt (tusindvis af volt). Derfor skal alle højspændingsområder (inklusive den fælles ledning) være isoleret fra huset. Det ved enhver, der har sat foden på systemenheden og rørt ved batteriet. Elektrisk strøm kan være farlig ikke kun for mennesker og dyr, men også for selve enheden. Det betyder nedbrud og kortslutninger. Disse fænomener beskadiger ikke kun radiokomponenter, men er også meget brandfarlige. Jeg stødte på nogle isolerende konstruktionselementer, der som følge af højspændingsforsyningen blev gennemboret og brændt ud til kul, og de brændte ikke helt ud, men i en kanal. Kul leder strøm og skaber dermed en kortslutning (herefter kortslutning) til huset. Desuden er det ikke synligt udefra. Derfor skal der være en afstand på ca. 2 mm pr. volt mellem de to ledninger, der er loddet til pladen. Hvis vi taler om dødbringende spændinger, skal huset være udstyret med mikrokontakter, der automatisk deaktiverer enheden, når væggen fjernes fra et farligt område af strukturen. Strukturelle elementer, der bliver meget varme under drift (radiatorer, kraftige halvledere og vakuumenheder, modstande med en effekt på over 2W) skal fjernes fra kortet (den bedste mulighed) eller i det mindste hæves over det. Det er heller ikke tilladt at røre ved husene til varmeradioelementer, undtagen i tilfælde, hvor det andet element er en temperaturføler af det første. Sådanne elementer må ikke fyldes med epoxyharpiks eller andre forbindelser. Desuden skal der sikres luftgennemstrømning til områder med høj effekttab og om nødvendigt tvungen køling (op til fordampningskøling). Så. Jeg har indhentet frygten, nu om arbejde.

3. Ohms og Kirchhoffs love har været og vil være grundlaget for udviklingen af ​​enhver elektronisk enhed.

3.1. Ohms lov for en kredsløbssektion

Strømstyrken i en sektion af et kredsløb er direkte proportional med den spænding, der påføres sektionen og omvendt proportional med sektionens modstand. Driften af ​​alle begrænsnings-, sluknings- og ballastmodstande er baseret på dette princip.

Denne formel er god, fordi "U" kan betyde både spændingen ved belastningen og spændingen ved den del af kredsløbet, der er forbundet i serie med belastningen. For eksempel har vi en 12V/20W pære og en 17V kilde, som vi skal tilslutte denne pære til. Vi har brug for en modstand, der vil sænke 17V til 12.

Fig.1

Så vi ved, at når elementer er forbundet i serie, kan spændingerne over dem variere, men strømmen er altid den samme i enhver del af kredsløbet. Lad os beregne den strøm, der forbruges af pæren:

Det betyder, at den samme strøm løber gennem modstanden. Som spænding tager vi spændingsfaldet over slukningsmodstanden, fordi dette virkelig er den samme spænding, der virker på denne modstand ( )

Fra ovenstående eksempel er det ret indlysende. Det gælder desuden ikke kun for modstande, men også for eksempel for højttalere, hvis vi beregner, hvilken spænding der skal påføres en højttaler med en given effekt og modstand, så den udvikler denne effekt.

Før vi går videre til det, skal vi klart forstå den fysiske betydning af intern og udgangsmodstand. Lad os antage, at vi har en eller anden kilde til EMF. Så den interne (output) modstand er en imaginær modstand forbundet i serie med den.

Fig.2

Naturligvis er der faktisk ingen sådanne modstande i strømkilder, men generatorer har viklingsmodstand, stikkontakter har ledningsmodstand, batterier har elektrolyt- og elektrodemodstand osv. Ved tilslutning af en belastning opfører denne modstand sig nøjagtigt som en serieforbundet modstand.

Hvor: ε – EMF
I – nuværende styrke
R – belastningsmodstand
r – intern kildemodstand

Det fremgår tydeligt af formlen, at når den indre modstand stiger, falder effekten på grund af en nedsættelse af den indre modstand. Dette kan også ses af Ohms lov for et afsnit af en kæde.

3.3 Kirchhoffs regel vi vil kun være interesseret i én ting: summen af ​​strømme, der kommer ind i kredsløbet, er lig med strømmen (summen af ​​strømme), der forlader det. De der. uanset belastningen og uanset hvor mange grene den består af, vil strømstyrken i en af ​​forsyningsledningerne være lig strømstyrken i den anden ledning. Faktisk er denne konklusion ret indlysende, hvis vi taler om et lukket kredsløb.

Alt ser ud til at være klart med lovene om strømning. Lad os se, hvordan det ser ud i rigtig hardware.

4. Fyldning

Alle PSU'er er stort set ens i design og elementbase. Dette skyldes det faktum, at de stort set udfører de samme funktioner: spændingsændring (altid), ensretning (oftest), stabilisering (ofte), beskyttelse (ofte). Lad os nu se på måder at implementere disse funktioner på.

4.1. Spændingsændring oftest implementeret ved hjælp af forskellige transformere. Denne mulighed er den mest pålidelige og sikre. Der er også transformerløse strømforsyninger. De bruger kapacitansen af ​​en kondensator forbundet i serie mellem strømkilden og belastningen for at reducere spændingen. Udgangsspændingen af ​​sådanne strømforsyninger afhænger helt af belastningsstrømmen og dens tilstedeværelse. Selv med en kortvarig belastningsnedlukning svigter sådanne strømforsyninger. Derudover kan de kun sænke spændingen. Derfor anbefaler jeg ikke sådanne strømforsyninger til at drive REA. Så lad os fokusere på transformere. Lineære strømforsyninger bruger transformere ved 50Hz (industriel netværksfrekvens). En transformer består af en kerne, en primærvikling og flere sekundære viklinger. Vekselstrøm, der kommer ind i primærviklingen, skaber en magnetisk flux i kernen. Denne strøm inducerer ligesom en magnet en emk i sekundærviklingerne. Spændingen på sekundærviklingerne bestemmes af antallet af vindinger. Forholdet mellem antallet af vindinger (spænding) af sekundærviklingen og antallet af vindinger (spænding) af primærviklingen kaldes transformationsforholdet (η). Hvis η>1 kaldes transformeren en step-up transformer, ellers - en step-down transformer. Der er transformere med η=1. Sådanne transformere ændrer ikke spændingen og tjener kun til galvanisk isolering kæder ( kredsløb betragtes som galvanisk isolerede, hvis de ikke har en direkte fælles elektrisk kontakt. Selvom strømmene, der strømmer gennem dem, kan virke på hinanden. For eksempel "Blå Tand"eller en pære og et solcellebatteri bragt til den eller rotoren og stator på en elektrisk motor eller en neonlampe bragt til senderantennen). Derfor nytter det ikke noget at bruge dem i strømforsyning. Pulstransformatorer arbejder efter samme princip med den eneste forskel, at de ikke forsynes med spænding direkte fra stikkontakten. Først konverteres den til impulser med en højere frekvens (normalt 15-20 kHz), og disse impulser leveres til transformatorens primære vikling. Gentagelseshastigheden af ​​disse pulser kaldes pulsstrømforsyningens konverteringsfrekvens. Når frekvensen stiger, øges den induktive reaktans af spolen, så viklingerne af pulstransformatorer indeholder færre drejninger sammenlignet med lineære. Dette gør dem mere kompakte og lettere. Pulserende strømforsyninger er dog kendetegnet ved et højere interferensniveau, dårligere termiske forhold og er mere komplekse i kredsløbsdesign, derfor mindre pålidelige.

4.2. Opretning involverer konvertering af vekselstrøm (puls) til jævnstrøm. Denne proces består i at dekomponere positive og negative halvbølger i deres respektive poler. Der er en hel del ordninger, der giver dig mulighed for at gøre dette. Lad os se på dem, der oftest bruges.

4.2.1. Quarterbridge

Fig.3

Det enkleste kredsløb af en halvbølge ensretter. Det fungerer som følger. Den positive halvbølge passerer gennem dioden og oplader C1. Den negative halvbølge blokeres af dioden, og kredsløbet ser ud til at være brudt. I dette tilfælde drives belastningen ved at aflade kondensatoren. For at fungere ved 50Hz skal kapacitansen C1 naturligvis være relativt stor for at sikre lave ripple-niveauer. Derfor bruges kredsløbet hovedsageligt til at skifte strømforsyning på grund af den højere driftsfrekvens.

4.2.2 Halvbro (Latour-Delon-Grenachere doubler)

Fig.4

Funktionsprincippet ligner en kvart bro, kun her er de forbundet i serie. Den positive halvbølge passerer gennem VD1 og oplader C1. På den negative halvbølge lukker VD1 og C1 begynder at aflade, og den negative halvbølge passerer gennem VD2. Der opstår således en spænding mellem katoden VD1 og anoden VD2, som er 2 gange højere end spændingen i transformatorens sekundære vikling (fig. 4a). Dette princip kan bruges til at bygge dele BP. Dette er navnet på strømforsyningsenheder, der producerer 2 spændinger, der er identiske i størrelse, men modsat fortegn (fig. 4b). Vi skal dog ikke glemme, at der er tale om 2 kvartbroer forbundet i serie, og kondensatorkapaciteterne skal være store nok (baseret på mindst 1000 μF pr. 1A strømforbrug).

4.2.3. Fuld bro

Det mest almindelige ensretterkredsløb har de bedste belastningskarakteristika med et minimumsniveau af rippel og kan bruges i både unipolære (fig. 5a) og split strømforsyninger (fig. 5b).

Fig.5

Figur 5c,d viser driften af ​​en broensretter.

Som allerede nævnt er forskellige ensretterkredsløb karakteriseret ved forskellige værdier af krusningsfaktoren. Den nøjagtige beregning af ensretteren indeholder besværlige beregninger og er sjældent nødvendig i praksis, så vi begrænser os til en omtrentlig beregning, der kan udføres ved hjælp af tabellen

hvor: U 2 – spænding af sekundærviklingen
I 2 - maksimal tilladt strøm af sekundærviklingen
U rev – Maksimal tilladt omvendt spænding af dioder (kenotroner, tyristorer, gastroner, ignitroner)
I pr.max – Maksimal tilladt fremadgående strøm af dioder (kenotroner, tyristorer, gastroner, ignitroner)
q 0 – output ripple factor
U 0 – Ensretterudgangsspænding
I 0 – maksimal belastningsstrøm

Kapaciteten af ​​udjævningskondensatoren kan beregnes ved hjælp af formlen

hvor: q – pulsationskoefficient
m – indfasning
f – pulsationsfrekvens
R n – belastningsmodstand ()
Rf – modstand af filtermodstand ( Dette er en formel for RC-filtre, men som modstand kan du tage udgangsmodstanden fra ensretteren [transformatorens indre modstand + ventilernes impedans])

4.3. Filtrering

Ripple forstyrrer driften af ​​enheden, som drives af strømforsyningen. Derudover gør de det umuligt for stabilisatorer at fungere på grund af det faktum, at i intervallerne mellem halvbølger (absolut sinusbølge) falder spændingen til næsten nul. Lad os se på nogle typer anti-aliasing-filtre.

4.3.1. Passive filtre kan være resistiv-kapacitiv, induktiv-kapacitiv og kombineret.

Fig.6

Resistive-kapacitive filtre (fig. 6) er karakteriseret ved et relativt stort spændingsfald. Dette skyldes brugen af ​​en modstand i dem. Derfor er sådanne filtre ikke egnede til at arbejde med strømme større end 500 mA på grund af store tab og effekttab. Modstanden beregnes som følger

hvor: U ud – ensretterudgangsspænding
U p – belastning forsyningsspænding
I n – belastningsstrøm

Fig.7

Induktiv-kapacitive filtre er kendetegnet ved en relativt høj udjævningsevne, men er ringere end andre med hensyn til vægt og størrelsesparametre. Den grundlæggende idé om et induktivt-kapacitivt filter i forholdet mellem reaktanserne af dets komponenter , dvs. Filteret skal have en god kvalitetsfaktor. Selve filteret beregnes ved hjælp af følgende formel

Hvor: q – udjævningskoefficient
m – indfasning
f – frekvens
- induktans af chokeren
– kondensatorens kapacitans.

Under amatørforhold kan du i stedet for en choker bruge den primære vikling af en transformator (ikke den, hvorfra alt er drevet) og kortslutte den sekundære.

4.3.2. Aktive filtre anvendes i tilfælde, hvor passive filtre ikke er egnede med hensyn til vægt, størrelse eller temperaturparametre. Faktum er, at, som allerede nævnt, jo større belastningsstrømmen er, jo større kapacitet er udjævningskondensatorerne. I praksis resulterer dette i behovet for at bruge voluminøse elektrolytiske kondensatorer. Et aktivt filter bruger en transistor i et emitterfølgerkredsløb (en kaskade med en fælles kollektor), så signalet ved emitteren gentager praktisk talt signalet ved basen (fig. 8).

Fig.8

Kredsløb R1C1 beregnes som et resistivt-kapacitivt filter, kun strømmen i basiskredsløbet tages som den forbrugte strøm

Men som det kan ses af formlen, vil filtertilstanden (inklusive udjævningskoefficienten) afhænge af den forbrugte strøm, så det er bedre at rette det (fig. 9).

Fig.9

Kredsløbet fungerer under den betingelse, at , hvor udgangsspændingen vil være ca. 0,98U b på grund af et spændingsfald i repeateren. Vi tager R2 som belastningsmodstanden.

4.3.3 Støjfiltre

Det skal siges, at radiointerferens ikke kun kan trænge ind fra netværket ind i enheden, men også fra enheden ind i netværket. Derfor skal begge retninger beskyttes mod interferens. Dette gælder især for at skifte strømforsyning. Som regel handler det om at forbinde små kondensatorer (0,01 - 1,0 μF) parallelt med kredsløbet, som vist i fig. 10.

Fig.10

Som i tilfældet med udjævningsfiltre fungerer støjfiltre under den betingelse, at kondensatorernes kapacitans ved interferensfrekvensen er meget mindre end belastningsmodstanden.

Det er muligt, at interferensen ikke opstår fra en spontan ændring i strøm i netværket eller enheden, men fra konstant "vibration". Det gælder for eksempel pulsstrømforsyninger eller sendere i telegraftilstand. I dette tilfælde kan induktiv frakobling også være påkrævet (fig. 11).

Fig.11

Kondensatorer skal dog vælges, så der ikke opstår resonans i viklingerne af drosler og transformere.

4.4. Stabilisering

Der er en række enheder, blokke og samlinger, der kun kan fungere fra stabiliserede strømkilder. For eksempel generatorer, hvor opladnings-/afladningshastigheden af ​​kondensatorer i OS-kredsløb og dermed frekvensen og formen af ​​det genererede signal afhænger af spændingen. Derfor er det i strømforsyninger udgangsspændingen, der oftest stabiliseres, mens strømmen oftest stabiliseres i opladere og UPS'er, og selv da ikke altid. Der er mange måder at stabilisere spændingen på, men i praksis er de mest almindelige parametriske stabilisatorer i en eller anden form. Lad os se på deres arbejde.

4.4.1. Den enkleste stabilisator består af en zenerdiode og en begrænsningsmodstand (fig. 12).

Fig.12

Driftsprincippet for en sådan stabilisator er baseret på at ændre spændingsfaldet i begrænsningsmodstanden afhængigt af strømmen. Desuden virker hele ordningen forudsat at
Faktisk, hvis strømmen, der strømmer gennem belastningen, overstiger stabiliseringsstrømmen, vil zenerdioden ikke være i stand til at give det nødvendige fald i henhold til parallelforbindelsesreglen

Som det fremgår af formlen, har den mindste modstand den største indflydelse på kredsløbets samlede modstand. Faktum er, at når den omvendte spænding stiger, stiger dens omvendte strøm, hvilket er grunden til, at den holder spændingen inden for visse grænser (Ohms lov for en sektion af et kredsløb).

4.4.2. Senderfølger

Hvad skal man så gøre, hvis den forbrugte strøm skal overstige stabiliseringsstrømmen for zenerdioden?

Fig.13

Vores gode gamle emitterfølger, en naturlig strømforstærker, kommer til undsætning. Når alt kommer til alt, hvad er et spændingsfald på 2 % sammenlignet med en strømstigning på 1000 %!? Lad os implementere (fig. 13)! Strømmen steg ca. h 21 gange sammenlignet med en zenerdiodestabilisator. Ved emitteren vil der være cirka 0,98U B

4.4.3. Stigende stabiliseringsspænding

Problemet er løst, men hvad nu hvis du skal stabilisere spændingen, f.eks. 60V? I dette tilfælde kan du seriekoble zenerdioderne. Således er 60V 6 zenerdioder på 10V eller 5 på 12V (fig. 14).

Fig.14

Som med ethvert sekventielt kredsløb gælder reglen her

hvor: - total kædestabiliseringsspænding
n – antal zenerdioder i kredsløbet
- Stabiliseringsspænding for hver zenerdiode.

Desuden kan stabiliseringsspændingen af ​​zenerdioder variere, men stabiliseringsstrømmen skal være den samme.

4.4.4. Forøgelse af belastningsstrømmen

Dette løser problemet med højspænding. Hvis det er nødvendigt at øge belastningskapaciteten (maksimal tilladt belastningsstrøm), anvendes kaskader af emitterfølgere, der danner sammensat transistor(Fig. 15) .

Fig.15

Den parametriske stabilisator og emitterfølger beregnes på samme måde som i de foregående kredsløb. R2 er inkluderet i kredsløbet for at dræne potentialer fra bunden af ​​VT2, når VT1 er lukket, dog skal betingelsen være opfyldt, hvor Z VT 1 er impedansen af ​​VT1 i åben tilstand.

4.4.5. Justering af udgangsspænding

I nogle tilfælde kan det være nødvendigt at justere eller regulere stabilisatorens udgangsspænding (fig. 16).

Fig.16

I dette kredsløb betragtes R2 som belastningen, og strømmen gennem zenerdioden skal overstige strømmen gennem R2. Det skal huskes, at hvis spændingen reduceres til "0", så virker den fulde indgangsspænding ved kollektor-base krydset. Hvis transistorens deklarerede tilstand ikke når denne spænding, vil transistoren uundgåeligt fejle. Det skal også bemærkes, at store kondensatorer ved udgangen af ​​stabilisatorer med emitterfølgere er meget farlige. Faktum er, at i dette tilfælde er transistoren klemt mellem to store kondensatorer. Hvis du aflader udgangskondensatoren, vil udjævningskondensatoren aflades gennem transistoren, og transistoren vil svigte på grund af overstrøm. Hvis du aflader udjævningskondensatoren, vil spændingen ved emitteren blive højere end ved kollektoren, hvilket også uundgåeligt vil føre til nedbrydning af transistoren.

4.4.6 Strømstabilisering brugt ret sjældent. For eksempel batteriopladere. Den enkleste og mest pålidelige måde at stabilisere strømmen på er at bruge en kaskade med en fælles base og en LED som stabiliserende element.

Fig.17

Princippet for driften af ​​et sådant kredsløb er meget enkelt: Når strømmen gennem belastningen falder, falder spændingsfaldet i kaskaden. Således stiger spændingen over belastningen, og derfor (ifølge Ohms lov) strømmen. Og den aktuelle tilstand, der er fastsat af LED'en, tillader ikke strømmen at vokse over den krævede grænse, dvs. forstærkningen tillader ikke en sådan strøm at blive udsendt ved udgangen, fordi transistoren fungerer i mætningstilstand.

hvor: R1 – modstand af modstand R1
U pr.sv – fremadspænding på LED
U BE.us – spænding mellem emitter og base i mætningstilstand
I H – nødvendig belastningsstrøm.

hvor: R2 – modstand af modstand R2
E – stabilisatorens indgangsspænding
U pr.sv – maksimal fremadspænding af LED'en
I pr. max – maksimal fremstrøm af LED.

Pulsstrømforsyninger vil blive diskuteret i anden del af artiklen.

Skiftende strømforsyning eller lineær. Baggrund

Det er nok ingen hemmelighed, at de fleste specialister, radioamatører og simpelthen teknisk kyndige købere af strømforsyninger er på vagt over for at skifte strømforsyninger og foretrækker lineære.

Årsagen er enkel og klar. Skiftende strømforsyningers omdømme blev alvorligt undermineret tilbage i 80'erne, i en tid med massefejl i hjemmets farve-tv og importeret videoudstyr af lav kvalitet udstyret med de første skiftende strømforsyninger.

Hvad har vi i dag? Næsten alle moderne fjernsyn, videoudstyr, husholdningsapparater og computere bruger pulsblokkeernæring. Der er færre og færre anvendelsesområder for lineære (analoge, parametriske) kilder. Du kan næsten ikke finde en lineær strømforsyning i husholdningsudstyr i dag. Men stereotypen består. Og dette er ikke konservatisme, på trods af elektronikkens hurtige fremskridt, sker det meget langsomt at overvinde stereotyper.

Lad os prøve at objektivt se på dagens situation og prøve at ændre eksperternes mening. Lad os overveje de "stereotypiske" og iboende skiftende strømforsyninger Ulemper: kompleksitet, upålidelighed, interferens.

Impulseffektblok. Stereotype "kompleksitet"

Ja, skifte strømforsyning komplekse, mere præcist, vanskeligere end analoge, men meget enklere end en computer eller et tv. Du behøver ikke at forstå deres kredsløb, ligesom du ikke behøver at forstå kredsløbet i et farve-tv. Overlad det til de professionelle. Der er ikke noget kompliceret der for professionelle.

Impulseffektblok. Stereotype "upålidelighed"

Elementbunden af ​​en skiftende strømforsyning står ikke stille. Moderne udstyr, der bruges til at skifte strømforsyning, giver os mulighed for at sige med tillid i dag: upålidelighed er en myte. Grundlæggende afhænger pålideligheden af ​​en skiftende strømforsyning, som alt andet udstyr, af kvaliteten af ​​den anvendte elementbase. Jo dyrere koblingsstrømforsyningen er, jo dyrere er elementbasen i den. Høj integration giver mulighed for implementering af et stort antal indbyggede beskyttelser, som nogle gange ikke er tilgængelige i lineære kilder.

Impulseffektblok. Stereotype af "interferens"

Hvad er fordelene ved en skiftende strømforsyning?

Impulseffektblok. Høj effektivitet

Den høje effektivitet (op til 98%) af koblingsstrømforsyningen er forbundet med det særlige ved kredsløbsdesignet. De største tab i en analog kilde er netværkstransformatoren og den analoge stabilisator (regulator). Skiftende strømforsyning har hverken det ene eller det andet. I stedet for en netværkstransformator anvendes en højfrekvent transformer, og i stedet for en stabilisator anvendes et nøgleelement. Da nøgleelementerne enten er tændt eller slukket det meste af tiden, er energitabet i strømforsyningen minimalt. Effektiviteten af ​​en analog kilde kan være omkring 50%, det vil sige, at halvdelen af ​​dens energi (og dine penge) går til opvarmning af den omgivende luft, med andre ord går den ned i afløbet.

Impulseffektblok. Let vægt

Skiftende strømforsyning har mindre vægt på grund af, at det med stigende frekvens er muligt at anvende mindre transformere med samme transmitterede effekt. Massen af ​​en skiftende strømforsyning er flere gange mindre end en analog.

Impulseffektblok. Lavere omkostninger

Efterspørgsel skaber udbud. Takket være masseproduktionen af ​​en samlet elementbase og udviklingen af ​​nøgletransistorer med høj effekt, har vi i dag lave priser for strømbasen til skiftende strømforsyninger. Jo højere udgangseffekt, jo billigere er kilden sammenlignet med prisen på en lignende lineær kilde. Derudover bliver hovedkomponenterne i en analog kilde (kobber, transformerjern, aluminiumsradiatorer) konstant dyrere.

Impulseffektblok. Pålidelighed

Du hørte rigtigt, pålidelighed. I dag er skiftende strømforsyninger mere pålidelige end lineære på grund af tilstedeværelsen i moderne strømforsyninger af indbyggede beskyttelseskredsløb fra forskellige uforudsete situationer, for eksempel fra kortslutninger, overbelastninger, spændingsstigninger og vending af udgangskredsløb. Høj effektivitet fører til mindre varmetab, hvilket igen forårsager mindre overophedning af koblingsstrømforsyningselementets base, hvilket også er en indikator for pålidelighed.

Impulseffektblok. Krav til netspænding

Du ved sikkert på egen hånd, hvad der foregår i hjemmets elnet. 220 volt i en stikkontakt er mere sjælden end normen. Og skiftende strømforsyninger tillader en bred vifte af forsyningsspændinger, uopnåelige for lineære. Den typiske nedre tærskel for netspændingen for en skiftende strømforsyning er 90...110 V enhver analog kilde ved denne spænding vil i bedste fald "rippe" eller simpelthen slukke.

Altså puls eller lineær? Valget er dit under alle omstændigheder, vi ville bare hjælpe dig med at tage et objektivt kig på at skifte strømforsyning og træffe det rigtige valg. Bare glem ikke, at en kvalitetskilde er en kilde, der er fremstillet professionelt, ved hjælp af komponenter af høj kvalitet. Og kvalitet er altid en pris. Gratis ost er kun i en musefælde. Den sidste sætning gælder dog lige for enhver kilde, både pulseret og analog.